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 Identification of the structural connections between neurons is a prerequisite to understanding brain function. We developed a pipeline to systematically map brain-wide monosynaptic inputs to specific neuronal populations using Cre-driver mouse lines and the recombinant rabies tracing system. We first improved the rabies virus tracing strategy to accurately identify starter cells and to efficiently quantify presynaptic inputs. We then mapped brain-wide presynaptic inputs to different excitatory and inhibitory neuron subclasses in the primary visual cortex and seven higher visual areas. Our results reveal quantitative target-, layer- and cell-class-specific differences in the retrograde connectomes, despite similar global input patterns to different neuronal populations in the same anatomical area. The retrograde connectivity we define is consistent with the presence of the ventral and dorsal visual information processing streams and reveals further subnetworks within the dorsal stream. The hierarchical organization of the entire visual cortex can be derived from intracortical feedforward and feedback pathways mediated by upper- and lower-layer input neurons, respectively. This study expands our knowledge of the brain-wide inputs regulating visual areas and demonstrates that our improved rabies virus tracing strategy can be used to scale up the effort in dissecting connectivity of genetically defined cell populations in the whole mouse brain.

The rapid pace of cell type identification by new single-cell analysis methods has not been met with efficient experimental access to the newly discovered types. To enable flexible and efficient access to specific neural populations in the mouse cortex, we collected chromatin accessibility data from individual cells and clustered the single-cell data to identify enhancers specific for cell classes and subclasses. When cloned into adeno-associated viruses (AAVs) and delivered to the brain by retro-orbital injections, these enhancers drive transgene expression in specific cell subclasses in the cortex. We characterize several enhancer viruses in detail to show that they result in labeling of different projection neuron subclasses in mouse cortex, and that one of them can be used to label the homologous projection neuron subclass in human cortical slices. To enable the combinatorial labeling of more than one cell type by enhancer viruses, we developed a three-color Cre-, Flp- and Nigri- recombinase dependent reporter mouse line, Ai213. The delivery of three enhancer viruses driving these recombinases via a single retroorbital injection into a single Ai213 transgenic mouse results in labeling of three different neuronal classes/subclasses in the same brain tissue. This approach combines unprecedented flexibility with specificity for investigation of cell types in the mouse brain and beyond.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Brain circuits are composed of vast numbers of intricately interconnected neurons with diverse molecular, anatomical and physiological properties. To allow highly specific “user-defined” targeting of individual neurons for structural and functional studies, we modified three site-specific DNA recombinases, Cre, Dre and Flp, by combining them with a fungal light-inducible protein, Vivid, to create light-inducible recombinases (named RecV). We generated viral vectors to express these light-inducible recombinases and demonstrated that they can induce genomic modifications in dense or sparse populations of neurons in superficial as well as deep brain areas of live mouse brains by one-photon or two-photon light induction. These light-inducible recombinases can produce highly targeted, sparse and strong labeling of individual neurons in multiple loci and species. They can be used in combination with other genetic strategies to achieve specific intersectional targeting of mouse cortical layer 5 or inhibitory somatostatin neurons. In mouse cortex sparse light-induced recombination allows whole-brain morphological reconstructions to identify axonal projection specificity. Furthermore these enzymes allow single cell targeted genetic modifications via soma restricted two-photon light stimulation in individual cortical neurons and can be used in combination with functional optical indicators with minimal interference. In summary, RecVs enable spatiotemporally-precise, targeted optogenomic modifications that could greatly facilitate detailed analysis of neural circuits at the single cell level by linking genetic identity, morphology, connectivity and function.