The claustrum is thought to be one of the most highly interconnected forebrain structures but its organizing principles have yet to be fully explored at the level of single neurons. Here, we investigated the identity, connectivity, and activity of identified claustrum neurons to understand how the structure's unique convergence of input and divergence of output support binding information streams. We found that neurons in the claustrum communicate with each other across efferent projection-defined modules which were differentially innervated by sensory and frontal cortical areas. Individual claustrum neurons were responsive to inputs from more than one cortical region in a cell-type and projection-specific manner, particularly between areas of frontal cortex. In vivo imaging of claustrum axons revealed responses to both unimodal and multimodal sensory stimuli. Finally, chronic claustrum silencing specifically reduced animals' sensitivity to multimodal stimuli. These findings support the view that the claustrum is a fundamentally integrative structure, consolidating information from around the cortex and redistributing it following local computations.

Abstract Projection neurons in the anterolateral part of entorhinal cortex layer II (alEC LII) are the predominant cortical site for hyperphosphorylation of tau (p-tau) and formation of neurofibrillary tangles (NFTs) in brains of subjects with early-stage Alzheimer’s Disease (AD). A majority of alEC LII-neurons are unique among cortical excitatory neurons by expressing the protein reelin (Re+). In AD patients, and a rat model for AD overexpression mutated human APP, these Re+ excitatory projection-neurons are prone to accumulate intracellular amyloid-β (iAβ). Biochemical pathways that involve reelin-signaling regulate levels of p-tau, and iAβ has been shown to impair such reelin-signaling. We therefore used the rat model and set out to assess whether accumulation of iAβ in Re+ alEC LII projection neurons relates to the fact that these neurons express reelin. Here we show that in Re+ alEC LII-neurons, reelin and iAβ42 engage in a direct protein-protein interaction, and that microRNA-mediated lowering of reelin-levels in these neurons leads to a concomitant reduction of non-fibrillar iAβ ranging across three levels of aggregation. Our experiments are carried out several months before plaque pathology emerges in the rat model, and the reduction of iAβ occurs without any substantial associated changes in human APP-levels. We propose a model positioning reelin in a sequence of changes in functional pathways in Re+ alEC LII-neurons, explaining the region and neuron-specific initiation of AD pathology. Significance Anterolateral entorhinal cortex layer II (EC LII) neurons are the predominant cortical site for hyperphosphorylation of tau (p-tau) and formation of neurofibrillary tangles (NFTs) in brains of subjects with early-stage Alzheimer’s disease (AD). The same neurons are prone to very early accumulation of non-fibrillary forms of amyloid-β in the context of AD, and are unique among cortical excitatory neurons by expressing the protein reelin. We show that in such alEC LII-neurons, reelin and iAβ42 engage in a direct protein-protein interaction, and that selectively lowering levels of reelin leads to a concomitant reduction of non-fibrillar Aβ. We propose a model positioning reelin in a sequence of changes in functional pathways in reelin-expressing EC LII neurons, explaining the region and neuron specific initiation of AD.

SUMMARY Understanding neural circuit function requires individually addressing their component parts: specific neuronal cell types. However, not only do the precise genetic mechanisms specifying neuronal cell types remain obscure, access to these neuronal cell types by transgenic techniques also remains elusive. While most genes are expressed in the brain, the vast majority are expressed in many different kinds of neurons, suggesting that promoters alone are not sufficiently specific to distinguish cell types. However, there are orders of magnitude more distal genetic cis-regulatory elements controlling transcription (i.e. enhancers), so we screened for enhancer activity in microdissected samples of mouse cortical subregions. This identified thousands of novel putative enhancers, many unique to particular cortical subregions. Pronuclear injection of expression constructs containing such region-specific enhancers resulted in transgenic lines driving expression in distinct sets of cells specifically in the targeted cortical subregions, even though the parent gene’s promoter was relatively nonspecific. These data showcase the promise of utilizing the genetic mechanisms underlying the specification of diverse neuronal cell types for the development of genetic tools potentially capable of targeting any neuronal circuit of interest, an approach we call Enhancer-Driven Gene Expression (EDGE). Highlights Enhancer ChIP-seq of cortical subregions reveals 59372 putative enhancers. 3740 of these are specific to particular cortical subregions. This reflects the remarkable anatomical diversity of the adult cortex. Unique enhancers provide a means to make targeted cell-type specific genetic tools.

Compartmentalized microfluidic culture systems provide new perspectives in in vitro disease modelling as they enable co-culture of different relevant cell types in interconnected but fluidically isolated microenvironments. Such systems are thus particularly interesting in the context of in vitro modelling of mechanistic aspects of neurodegenerative diseases such as amyotrophic lateral sclerosis, which progressively affect the function of neuromuscular junctions, as they enable the co-culture of motor neurons and muscle cells in separate, but interconnected compartments. In combination with cell reprogramming technologies for the generation of human (including patient-specific) motor neurons, microfluidic platforms can thus become important research tools in preclinical studies. In this study, we present the application of a microfluidic chip with a differentially-perturbable microenvironment as a platform for establishing functional neuromuscular junctions using human induced pluripotent stem cell derived motor neurons and human myotubes. As a novel approach, we demonstrate the functionality of the platform using a designer pseudotyped ΔG-rabies virus for retrograde monosynaptic tracing.

Summary The entorhinal cortex, in particular neurons in layer V, allegedly mediate transfer of information from the hippocampus to the neocortex, underlying long-term memory. Recently, this circuit has been shown to comprise a hippocampal output recipient layer Vb and a cortical projecting layer Va. With the use of in vitro electrophysiology in transgenic mice specific for layer Vb, we assessed the presence of the thus necessary connection from layer Vb-to-Va in the functionally distinct medial (MEC) and lateral (LEC) subdivisions; MEC, particularly its dorsal part, processes allocentric spatial information, whereas the corresponding part of LEC processes information representing elements of episodes. Using identical experimental approaches, we show that connections from layer Vb-to-Va neurons are more effective in LEC compared with dorsal MEC. This indicates that the hippocampal-cortex output circuit is more effective in LEC, suggesting that episodic systems-consolidation may use LEC-derived information more than allocentric spatial information from MEC.

Abstract During behavior, hippocampal neurons fire in consistent theta sequences, organized by the theta rhythm, which have been linked to predictive coding of future actions. The mechanisms of sequence generation are yet unclear, but in the hippocampal CA1 subfield, are thought to involve both major input streams into CA1 neurons, from CA3 pyramidal neurons and directly from entorhinal cortex. We disentangled the role of these two afferent input with highly specific optogenetic inhibition limited to the direct entorhinal afferents of CA1, thereby leaving the rest of the hippocampal-entorhinal circuit intact. While CA1 spatial firing properties were largely unaffected, theta phase precession was largely abolished. Surprisingly, while theta phase precession is thought to generate theta sequences, theta sequences were actually strengthened when it was suppressed. These results suggest that sequence generation is internal to the hippocampus, while the entorhinal inputs may act as a supervisory signal driving learning and representational updates.

ABSTRACT Interactions between conspecifics are central to the acquisition of useful memories in the real world. Observational learning, i.e., learning a task by observing the success or failure of others, has been reported in many species, including rodents. However, previous work in rats with NMDA-receptor blockade has shown that even extensive observation of an unexplored space through a clear barrier is not sufficient to generate a stable hippocampal representation of that space. This raises the question of whether rats can learn a spatial task in a purely observed space from watching a conspecific, and if so, does this somehow stabilize their hippocampal representation? To address these questions, we designed an observational spatial task in a two-part environment that is nearly identical to that of the aforementioned electrophysiological study, in which an observer rat watches a demonstrator animal to learn the location of a hidden reward. Our results demonstrate that rats do not need to physically explore an environment to learn a reward location, provided a conspecific demonstrates where it is. We also show that the behavioral memory is not affected by NMDA receptor blockade, suggesting that the spatial representation underlying the behavior has been consolidated by observation alone.

Accurate anatomical characterizations are necessary to investigate neural circuitry on a fine scale, but for the rodent claustrum complex (CC) this has yet to be fully accomplished. The CC is generally considered to comprise two major subdivisions, the claustrum (CL) and the dorsal endopiriform nucleus (DEn), but regional boundaries to these areas are highly debated. To address this, we conducted a multifaceted analysis of fiber- and cyto-architecture, genetic marker expression, and connectivity using mice of both sexes, to create a comprehensive guide for identifying and delineating borders to the CC. We identified four distinct subregions within the CC, subdividing both the CL and the DEn into two. Additionally, we conducted brain-wide tracing of inputs to the entire CC using a transgenic mouse line. Immunohistochemical staining against myelin basic protein (MBP), parvalbumin (PV), and calbindin (CB) revealed intricate fiber-architectural patterns enabling precise delineations of the CC and its subregions. Myelinated fibers were abundant in dorsal parts of the CL but absent in ventral parts, while parvalbumin labelled fibers occupied the entire CL. Calbindin staining revealed a central gap within the CL, which was also visible at levels anterior to the striatum. Furthermore, cells in the CL projecting to the retrosplenial-cortex were located within the myelin sparse area. By combining our own experimental data with digitally available datasets of gene expression and input connectivity, we could demonstrate that the proposed delineation scheme allows anchoring of datasets from different origins to a common reference framework. Significance statement Mice are a highly tractable model for studying the claustrum complex (CC). However, without a consensus on how to delineate the CC in rodents, comparing results between studies is challenging. It is therefore important to expand our anatomical knowledge of the CC, to match the level of detail needed to study its functional properties. Using multiple strategies for identifying claustral borders, we created a comprehensive guide to delineate the CC and its subregions. This anatomical framework will allow researchers to anchor future experimental data into a common reference space. We demonstrated the power of this new structural framework by combining our own experimental data with digitally available data on gene expression and input connectivity of the CC.

Understanding brain function requires understanding neural circuits at the level of specificity at which they operate. While recent years have seen the development of a variety of remarkable molecular tools for the study of neural circuits, their utility is currently limited by the inability to deploy them in specific elements of native neural circuits, i.e. particular neuronal subtypes. One can obtain a degree of specificity with neuron-specific promoters, but native promoters are almost never sufficiently specific restricting this approach to transgenic animals. We recently showed that one can obtain transgenic mice with augmented anatomical specificity in targeted brain regions by identifying cis-regulatory elements (i.e. enhancers) uniquely active in those brain regions and combining them with a heterologous promoter, an approach we call EDGE (Enhancer-Driven Gene Expression). Here we extend this strategy to the generation of viral (rAAV) vectors, showing that when combined with the right minimal promoter they largely recapitulate the specificity seen in the corresponding transgenic lines in wildtype animals, even of another species. Because active enhancers can be identified in any tissue sample, this approach promises to enable the kind of circuit-specific manipulations in any species. This should not only greatly enhance our understanding of brain function, but may one day even provide novel therapeutic avenues to correct the imbalances in neural circuits underlying many disorders of the brain.