ABSTRACT Diverse types of glutamatergic pyramidal neurons (PyNs) mediate the myriad processing streams and output channels of the cerebral cortex, yet all derive from neural progenitors of the embryonic dorsal telencephalon. Here, we establish genetic strategies and tools for dissecting and fate mapping PyN subpopulations based on their developmental and molecular programs. We leverage key transcription factors and effector genes to systematically target the temporal patterning programs in progenitors and differentiation programs in postmitotic neurons. We generated over a dozen temporally inducible mouse Cre and Flp knock-in driver lines to enable combinatorial targeting of major progenitor types and projection classes. Intersectional converter lines confer viral access to specific subsets defined by developmental origin, marker expression, anatomical location and projection targets. These strategies establish an experimental framework for understanding the hierarchical organization and developmental trajectory of PyN subpopulations that assemble cortical processing networks and output channels.

ABSTRACT Heat defense is crucial for survival and fitness, and its dysregulation may result in deaths due to poor management. Transmission of thermosensory signals into hypothalamic thermoregulation centers represent a key layer of regulation in heat defense. However, the mechanism by which these signals are transmitted into the hypothalamus remains poorly understood. Here, we reveal that glutamatergic prodynorphin and cholecystokinin neuron populations in the lateral parabrachial (LPB) are progressively recruited to defend elevated body temperature. These two nonoverlapping neuron types form circuitries with downstream preoptic hypothalamic neurons to inhibit BAT thermogenesis and activate tail vasodilation, respectively. Both circuitries are selectively activated by warm temperatures and are required for fever limiting. The prodynorphin circuitry is further required for regulation of energy expenditure and weight homeostasis. Thus, these findings establish that the genetic and functional specificity of heat defense neurons occurs as early as in the LPB and uncover categorical neuron types for encoding two heat defense variables, which may provide targets for treating thermoregulation disorders.

Abstract Predicting which substances are suitable for consumption during foraging is critical for animals to survive. While food-seeking behavior is extensively studied, the neural circuit mechanisms underlying avoidance of potentially poisonous substances remain poorly understood. Here we examined the role of the insular cortex (IC) to central amygdala (CeA) circuit in the establishment of such avoidance behavior. Using anatomic tracing approaches combined with optogenetics-assisted circuit mapping, we found that the gustatory region of the IC sends direct excitatory projections to the lateral division of the CeA (CeL), making monosynaptic excitatory connections with distinct populations of CeL neurons. Specific inhibition of neurotransmitter release from the CeL-projecting IC neurons prevented mice from acquiring the “no-go” response, while leaving the “go” response largely unaffected in a tastant (sucrose/quinine)-reinforced “go/no-go” task. Furthermore, selective activation of the IC-CeL pathway with optogenetics drove unconditioned lick suppression in thirsty animals, induced aversive responses, and was sufficient to instruct conditioned action suppression in response to a cue predicting the optogenetic activation. These results indicate that activity in the IC-CeL circuit is necessary for establishing anticipatory avoidance responses to an aversive tastant, and is also sufficient to drive learning of such anticipatory avoidance. This function of the IC-CeL circuit is likely important for guiding avoidance of substances with unpleasant tastes during foraging in order to minimize the chance of being poisoned. Significance Statement The ability to predict which substances are suitable for consumption is critical for survival. Here we found that activity in the insular cortex (IC) to central amygdala (CeA) circuit is necessary for establishing avoidance responses to an unpleasant tastant, and is also sufficient to drive learning of such avoidance responses. These results suggest that the IC-CeA circuit is critical for behavioral inhibition in anticipation of potentially poisonous substances during foraging.

Abstract Multiple embryonic origins give rise to forebrain oligodendrocytes (OLs), yet controversies and uncertainty exist regarding their differential contributions. We established intersectional and subtractional strategies to genetically fate map OLs produced by medial ganglionic eminence/preoptic area (MGE/POA), lateral/caudal ganglionic eminences (LGE/CGE) and dorsal pallium. We found that, contrary to the canonical view, LGE/CGE-derived OLs make minimum contributions to the neocortex and corpus callosum, but dominate piriform cortex and anterior commissure. Additionally, MGE/POA-derived OLs, instead of being entirely eliminated, make small but sustained contribution to cortex with a distribution pattern distinctive from those derived from the dorsal origin. Our study provides a revised and more comprehensive view of cortical and white matter OL origins, and established valuable new tools and strategies for future OL studies.

Summary Variations in size and complexity of the cerebral cortex result from differences in neuron number and composition, which are rooted in evolutionary changes in direct and indirect neurogenesis (dNG and iNG) mediated by radial glial progenitors and intermediate progenitors, respectively. How dNG and iNG differentially contribute to cortical neuronal number, diversity, and connectivity are unknown. Establishing a genetic fate-mapping method to differentially visualize dNG and iNG in mice, we found that while both dNG and iNG contribute to all cortical structures, iNG contributes the largest relative proportions to the hippocampus and neocortex compared to insular and piriform cortex, claustrum, and the pallial amygdala. Within the neocortex, whereas dNG generates all major glutamatergic projection neuron (PN) classes, iNG differentially amplifies and diversifies PNs within each class; the two neurogenic pathways generate distinct PN types and assemble fine mosaics of lineage-based cortical subnetworks. Our results establish a ground-level lineage framework for understanding cortical development and evolution by linking foundational progenitor types and neurogenic pathways to PN types. Highlights - A genetic strategy for differential visualization of direct and indirect neurogenesis in the same animal. - dNG and iNG differentially contribute to piriform cortex, basolateral amygdala, hippocampus, and neocortex - Whereas dNG generates all major PN classes, iNG differentially amplifies and diversifies PNs within each class - dNG and iNG construct distinct cortical projection subnetworks.

The stability of functional brain network is maintained by homeostatic plasticity, which restores equilibrium following perturbation. As the initiation site of action potentials, the axon initial segment (AIS) of glutamatergic projection neurons (PyNs) undergoes dynamic adjustment that exerts powerful control over neuronal firing properties in response to changes in network states. Although AIS plasticity has been reported to be coupled with the changes of network activity, it is poorly understood whether it involves direct synaptic input to the AIS. Here we show that changes of GABAergic synaptic input to the AIS of cortical PyNs, specifically from chandelier cells (ChCs), are sufficient to drive homeostatic tuning of the AIS within 1-2 weeks, while those from parvalbumin-positive basket cells do not. This tuning is reflected in the morphology of the AIS, the expression level of voltage-gated sodium channels, and the intrinsic neuronal excitability of PyNs. Interestingly, the timing of AIS tuning in PyNs of the prefrontal cortex corresponds to the recovery of changes in social behavior caused by alterations of ChC synaptic transmission. Thus, homeostatic plasticity of the AIS at postsynaptic PyNs may counteract deficits elicited by imbalanced ChC presynaptic input.

ABSTRACT Appetitive locomotion is essential for organisms to approach rewards, such as food and prey. How the brain controls appetitive locomotion is poorly understood. In a naturalistic goal-directed behavior—predatory hunting, we demonstrate an excitatory brain circuit from the superior colliculus (SC) to the substantia nigra pars compacta (SNc) to boost appetitive locomotion. The SC-SNc pathway transmitted locomotion-speed signals to dopamine neurons and triggered dopamine release in the dorsal striatum. Activation of this pathway increased the speed and frequency of approach during predatory hunting, an effect that depended on the activities of SNc dopamine neurons. Conversely, synaptic inactivation of this pathway impaired appetitive locomotion but not defensive or exploratory locomotion. Together, these data revealed the SC as an important source to provide locomotion-related signals to SNc dopamine neurons to boost appetitive locomotion.

Abstract The hypothalamus contains an astounding heterogeneity of neurons to achieve its role in regulating endocrine, autonomic and behavioral functions. Despite previous progress in deciphering the gene regulatory programs linked to hypothalamus development, its molecular developmental trajectory and origin of neuronal diversity remain largely unknown. Here we combine transcriptomic profiling of 43,261 cells derived from Rax + hypothalamic neuroepithelium with lineage tracing to map a developmental landscape of mouse hypothalamus and delineate the developmental trajectory of radial glial cells (RGCs), intermediate progenitor cells (IPCs), nascent neurons and peptidergic neurons in the lineage hierarchy. We show that RGCs adopt a conserved strategy for multipotential differentiation but generate both Ascl1 + and Neurog2 + IPCs, which display regionally differential origins in telencephalon. As transit-amplifying cells, Ascl1 + IPCs differ from their telencephalic counterpart by displaying fate bifurcation to produce both glutamatergic and GABAergic neurons. After classifying the developing neurons into 29 subtypes coded by diverse transcription factors, neurotransmitters and neuropeptides, we identified their molecular determinants via regulon analysis and further found that postmitotic neurons at nascent state possess the potential to resolve into more diverse subtypes of peptidergic neurons. Together, our study offers a single-cell framework for hypothalamus development and reveals that multiple cell types along the order of lineage hierarchy contribute to the fate diversification of hypothalamic neurons in a stepwise fashion, suggesting that a cascade diversifying model can deconstruct the origin of neuronal diversity.

The long non-coding RNA GUARDIN functions to protect genome stability. Inhibiting GUARDIN expression can alter cell fate decisions towards senescence or apoptosis, but the underlying molecular signals are unknown. Here we show that GUARDIN is an essential component of a transcriptional repressor complex involving LRP130 and PGC1α which suppresses FOXO4 expression. GUARDIN acts as a scaffold to stabilize LRP130/PGC1α heterodimers and their occupancy at the FOXO4 promotor. Destabilizing this complex by silencing of GUARDIN, LRP130 or PGC1α leads to FOXO4-dependent upregulation of p21, thereby driving cells into senescence. We also found that GUARDIN expression was induced by rapamycin, a senolytic agent that suppresses cell senescence. FOS-Like Antigen 2 (FOSL2) acts as a transcriptional repressor of GUARDIN with increased levels in the presence of rapamycin resulting from downregulation of FOSL2. Together, these results demonstrate that GUARDIN inhibits p21-dependent senescence through a LRP130-PGC1α-FOXO4 signaling axis and moreover, GUARDIN contributes to the anti-senolytic activities of rapamycin.

In mammalian primary visual cortex (V1), integration of the left and right visual scene into a binocular percept derives from convergent ipsi- and contralateral geniculocortical inputs and trans-callosal projections between the two hemispheres. However, the underlying developmental mechanisms remain incompletely understood. Using genetic methods in mice we found that during the days before eye-opening, retinal and callosal activity drives massive apoptosis of GABAergic chandelier cells (ChCs) in the binocular region of V1. Blockade of ChC elimination resulted in a contralateral-dominated V1 and deficient binocular vision. As activity patterns within and between retinas prior to vision convey organization of the visual field, their regulation of ChC density through the trans-callosal pathway may prime a nascent binocular territory for subsequent experience-driven tuning during the post-vision critical period.