Adult-born granule cells (GCs), a minor population of cells in the hippocampal dentate gyrus, are highly active during the first few weeks after functional integration into the neuronal network, distinguishing them from less active, older adult-born GCs and the major population of dentate GCs generated developmentally. To ascertain whether young and old GCs perform distinct memory functions, we created a transgenic mouse in which output of old GCs was specifically inhibited while leaving a substantial portion of young GCs intact. These mice exhibited enhanced or normal pattern separation between similar contexts, which was reduced following ablation of young GCs. Furthermore, these mutant mice exhibited deficits in rapid pattern completion. Therefore, pattern separation requires adult-born young GCs but not old GCs, and older GCs contribute to the rapid recall by pattern completion. Our data suggest that as adult-born GCs age, their function switches from pattern separation to rapid pattern completion.

In the hippocampus GABAergic local circuit inhibitory interneurons represent only ~10–15% of the total neuronal population; however, their remarkable anatomical and physiological diversity allows them to regulate virtually all aspects of cellular and circuit function. Here we provide an overview of the current state of the field of interneuron research, focusing largely on the hippocampus. We discuss recent advances related to the various cell types, including their development and maturation, expression of subtype-specific voltage- and ligand-gated channels, and their roles in network oscillations. We also discuss recent technological advances and approaches that have permitted high-resolution, subtype-specific examination of their roles in numerous neural circuit disorders and the emerging therapeutic strategies to ameliorate such pathophysiological conditions. The ultimate goal of this review is not only to provide a touchstone for the current state of the field, but to help pave the way for future research by highlighting where gaps in our knowledge exist and how a complete appreciation of their roles will aid in future therapeutic strategies.

Neurogenesis is known to persist in the adult mammalian central nervous system (CNS). The identity of the cells that generate new neurons in the postnatal CNS has become a crucial but elusive issue. Using a transgenic mouse, we show that NG2 proteoglycan–positive progenitor cells that express the 2′,3′-cyclic nucleotide 3′-phosphodiesterase gene display a multipotent phenotype in vitro and generate electrically excitable neurons, as well as astrocytes and oligodendrocytes. The fast kinetics and the high rate of multipotent fate of these NG2+ progenitors in vitro reflect an intrinsic property, rather than reprogramming. We demonstrate in the hippocampus in vivo that a sizeable fraction of postnatal NG2+ progenitor cells are proliferative precursors whose progeny appears to differentiate into GABAergic neurons capable of propagating action potentials and displaying functional synaptic inputs. These data show that at least a subpopulation of postnatal NG2-expressing cells are CNS multipotent precursors that may underlie adult hippocampal neurogenesis.

ABSTRACT Medial ganglionic eminence (MGE)-derived parvalbumin (PV)+, somatostatin (SST)+ and Neurogliaform (NGFC)-type cortical and hippocampal interneurons, have distinct molecular, anatomical and physiological properties. However, the molecular mechanisms regulating their diversity remain poorly understood. Here, via single-cell transcriptomics, we show that the obligate NMDA-type glutamate receptor (NMDAR) subunit gene Grin1 mediates subtype-specific transcriptional regulation of gene expression in MGE-derived interneurons, leading to altered subtype abundances. Notably, MGE-specific conditional Grin1 loss results in a systemic downregulation of diverse transcriptional, synaptogenic and membrane excitability regulatory programs. These widespread gene expression abnormalities mirror aberrations that are typically associated with neurodevelopmental disorders, particularly schizophrenia. Our study hence provides a road map for the systematic examination of NMDAR signaling in interneuron subtypes, revealing potential MGE-specific genetic targets that could instruct future therapies of psychiatric 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.

In recent years, we and others have identified a number of enhancers that, when incorporated into rAAV vectors, can restrict the transgene expression to particular neuronal populations. Yet, viral tools to access and manipulate fine neuronal subtypes are still limited. Here, we performed systematic analysis of single cell genomic data to identify enhancer candidates for each of the cortical interneuron subtypes. We established a set of enhancer-AAV tools that are highly specific for distinct cortical interneuron populations and striatal cholinergic neurons. These enhancers, when used in the context of different effectors, can target (fluorescent proteins), observe activity (GCaMP) and manipulate (opto- or chemo-genetics) specific neuronal subtypes. We also validated our enhancer-AAV tools across species. Thus, we provide the field with a powerful set of tools to study neural circuits and functions and to develop precise and targeted therapy.

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.

Spatiotemporal interactions between glutamatergic excitatory and GABAergic inhibitory neurons underly input-output transformations critical for complex brain functions. However, the extent of malleability in this interplay particularly that occuring via modifications in GABAergic interneuron recruitment and output is relatively unexplored in humans. We demonstrate that a specialized interneuron subtype collectively termed neurogliaform cells embedded in both mouse and human neural circuits are susceptible to remarkably similar activity-dependent modulation in their intrinsic properties including the previously characterized distal axonal phenomenon known as barrage firing. Interestingly, we reveal a parallel yet hitherto undescribed plasticity, occurring in the absence of barrage firing manifesting as an enhanced efficacy of excitatory depolarizing inputs to somatodendritic domains in eliciting action potential output. In principle, these evolutionary conserved plasticity routes tune the extent of inhibition mediated by neurogliaform cells constituting circuit mechanisms relevant for human cognitive processing and behavior.