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.

Abstract Midline thalamic nuclei play a critical role in cognitive functions such as memory, decision-making and spatial navigation, by facilitating communication between the many brain regions involved in these processes. One canonical feature of thalamic interactions with the cortex or hippocampus appears to be that the thalamus receives input from, and projects to, excitatory neurons. Thalamic nucleus reuniens (NRe) is located on the midline and is viewed primarily as a relay from prefrontal cortex to hippocampal and entorhinal areas, although these connections are poorly defined at the cellular and synaptic level. Using electrophysiology and monosynaptic circuit-tracing, we found that pyramidal cells in CA1 receive no direct input from NRe. This contrasts starkly with prefrontal cortex, subiculum and entorhinal cortex, and indicates that NRe inputs to CA1 primarily drive local inhibition and not excitation they do in the other regions. The NRe to CA1 projection is thus a unique thalamic projection and as such is raising important questions about the function of NRe-mediated prefrontal control of the hippocampus.

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.

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.

Layering has been a long-appreciated feature of higher order mammalian brain structures but the extent to which it plays an instructive role in synaptic specification remains unknown. Here we examine the formation of synaptic circuitry under cellular heterotopia in hippocampal CA1, using a mouse model of the human neurodevelopmental disorder Type I Lissencephaly. We identify calbindin-expressing principal cells which are mispositioned under cellular heterotopia. Ectopic calbindin-expressing principal cells develop relatively normal morphological features and stunted intrinsic physiological features. Regarding network development, a connectivity preference for cholecystokinin-expressing interneurons to target calbindin expressing principal cells is diminished. Moreover, in vitro gamma oscillatory activity is less synchronous across heterotopic bands and mutants are less responsive to pharmacological inhibition of cholecystokinin-containing interneurons. This study will aid not only in our understanding of how cellular networks form but highlight vulnerable cellular circuit motifs that might be generalized across disease states.

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.

ABSTRACT Type I lissencephaly is a neuronal migration disorder caused by haploinsuffiency of the LIS1 gene and is characterized in humans by agyria, mislamination of brain structures, developmental delays, and epilepsy. Here, we investigate the impact of LIS1 mutation on the cellular migration, morphophysiology, microcircuitry and genomics of mouse hippocampal CA1 parvalbumin-containing inhibitory interneurons (PV+INTs). We find that WT PV+INTs consist of two physiological subtypes (80% fast-spiking (FS), 20% non-fast-spiking (NFS)) and four morphological subtypes (basket, axo-axonic, bistratified, radiatum-targeting). We also discover that cell-autonomous mutations within interneurons disrupts morphological development of PV+INTs and results in the emergence of a non-canonical “intermediate spiking (IS)” subset of PV+INTs. In the GlobalLis mutant, IS/NFS cells become the dominant PV+INT subtypes (56%) and the percentage of FS cells shrinks to 44%. We also find that IS/NFS cells are prone to entering depolarizing block, causing them to temporarily lose the ability to initiate action potentials and control network excitation, potentially promoting seizures. Finally, single-cell nuclear RNAsequencing of PV+INTs revealed several misregulated genes related to morphogenesis, cellular excitability, and synapse formation.