By combining an inducible genetic fate mapping strategy with electrophysiological analysis, we have systematically characterized the populations of cortical GABAergic interneurons that originate from the caudal ganglionic eminence (CGE). Interestingly, compared with medial ganglionic eminence (MGE)-derived cortical interneuron populations, the initiation [embryonic day 12.5 (E12.5)] and peak production (E16.5) of interneurons from this embryonic structure occurs 3 d later in development. Moreover, unlike either pyramidal cells or MGE-derived cortical interneurons, CGE-derived interneurons do not integrate into the cortex in an inside-out manner but preferentially (75%) occupy superficial cortical layers independent of birthdate. In contrast to previous estimates, CGE-derived interneurons are both considerably greater in number (∼30% of all cortical interneurons) and diversity (comprised by at least nine distinct subtypes). Furthermore, we found that a large proportion of CGE-derived interneurons, including the neurogliaform subtype, express the glycoprotein Reelin. In fact, most CGE-derived cortical interneurons express either Reelin or vasoactive intestinal polypeptide. Thus, in conjunction with previous studies, we have now determined the spatial and temporal origins of the vast majority of cortical interneuron subtypes.

Ventral telencephalic progenitors expressing the homeodomain transcription factor Nkx6-2 have been shown to give rise to a multitude of cortical interneuron subtypes usually associated with origin in either the medial ganglionic eminence or the caudal ganglionic eminence.The function of Nkx6-2 in directing the fate of those progenitors has, however, not been thoroughly analyzed.We used a combination of genetic inducible fate mapping and in vivo lossof-function to analyze the requirement of Nkx6-2 in determining the fate of cortical interneurons.We have found that interneuron subtypes are born with a characteristic temporal pattern.Furthermore, we extend the characterization of interneurons from the Nkx6-2 lineage through the application of electrophysiological methods.Analysis of these populations in Nkx6-2 null mice suggests that there is a small and partially penetrant loss of delayed non-fast spiking somatostatin/calretinin double positive cortical interneurons in the absence of Nkx6-2 gene function.

Abstract Vasocative-intestinal-peptide (VIP + ) and somatostatin (SST + ) interneurons are involved in modulating barrel cortex activity and perception during active whisking. Here we identify a developmental transition point of structural and functional rearrangements onto these interneurons around the start of active sensation at P14. Using in vivo two-photon Ca 2+ imaging, we find that before P14, both interneuron types respond stronger to a multi-whisker stimulus, whereas after P14 their responses diverge, with VIP + cells losing their multi-whisker preference and SST + neurons enhancing theirs. Additionally, we find that Ca 2+ signaling dynamics increase in precision as the cells and network mature. Rabies virus tracings followed by tissue clearing, as well as photostimulation-coupled electrophysiology reveal that SST + cells receive higher cross-barrel inputs compared to VIP + neurons at both time points. In addition, whereas prior to P14 both cell types receive direct input from the sensory thalamus, after P14 VIP + cells show reduced inputs and SST + cells largely shift to motor-related thalamic nuclei.

Microglia play a key role in shaping the formation and refinement of the excitatory network of the brain. However, less is known about whether and how they organize the development of distinct inhibitory networks. We find that microglia are essential for the proper development of somatostatin-positive (SST+) cell synapses during the second postnatal week. We further identify a pair of molecules that act antagonistically to one another in the organization of SST+ cell axonal elaboration. Whereas CX3CL1 acts to suppress axonal growth and complexity, CXCL12 promotes it. Assessing the functional importance of microglia in the development of cortical activity, we find that a whisker stimulation paradigm that drives SST+ cell activation leads to reduced cortical spiking in brains depleted of microglia. Collectively, our data demonstrate an important role of microglia in regulating the development of SST+ cell output early in life.

Abstract Live fluorescence imaging has demonstrated the dynamic nature of dendritic spines, with changes in shape occurring both during development and in response to activity. The structure of a dendritic spine correlates with its functional efficacy. Learning and memory studies have shown that a great deal of the information stored by a neuron is contained in the synapses. High precision tracking of synaptic structures can give hints about the dynamic nature of memory and help us understand how memories evolve both in biological and artificial neural networks. Experiments that aim to investigate the dynamics behind the structural changes of dendritic spines require the collection and analysis of large time-series datasets. In this paper, we present an open-source software called SpineS for automatic longitudinal structural analysis of dendritic spines with additional features for manual intervention to ensure optimal analysis. We have tested the algorithm on in-vitro, in-vivo, and simulated datasets to demonstrate its performance in a wide range of possible experimental scenarios.

Human cellular models of neurodegeneration require reproducibility and longevity, which is necessary for simulating these age-dependent diseases. Such systems are particularly needed for TDP-43 proteinopathies 1,2 , which involve human-specific mechanisms 3–6 that cannot be directly studied in animal models. To explore the emergence and consequences of TDP-43 pathologies, we generated iPSC-derived, colony morphology neural stem cells (iCoMoNSCs) via manual selection of neural precursors 7 . Single-cell transcriptomics (scRNA-seq) and comparison to independent NSCs 8 , showed that iCoMoNSCs are uniquely homogenous and self-renewing. Differentiated iCoMoNSCs formed a self-organized multicellular system consisting of synaptically connected and electrophysiologically active neurons, which matured into long-lived functional networks. Neuronal and glial maturation in iCoMoNSC-derived cultures was similar to that of cortical organoids 9 . Overexpression of wild-type TDP-43 in a minority of iCoMoNSC-derived neurons led to progressive fragmentation and aggregation, resulting in loss of function and neurotoxicity. scRNA-seq revealed a novel set of misregulated RNA targets coinciding in both TDP-43 overexpressing neurons and patient brains exhibiting loss of nuclear TDP-43. The strongest misregulated target encoded for the synaptic protein NPTX2, which was consistently misaccumulated in ALS and FTLD patient neurons with TDP-43 pathology. Our work directly links TDP-43 misregulation and NPTX2 accumulation, thereby highlighting a new pathway of neurotoxicity.

Over the course of the past decade, tissue clearing methods have reached a high level of sophistication with a wide variety of approaches now available[1][1]. To image large cleared samples, light-sheet microscopes have proven to be ideal due to their excellent optical sectioning capability in

Throughout development, neuronal identity is controlled by key transcription factors that determine the unique properties of a cell. During embryogenesis, the transcription factor Prox1 regulates VIP-positive cortical interneuron migration, survival, and connectivity. Here, we explore the role of Prox1 as a regulator of genetic programs that guide the final specification of VIP interneuron subtypes in early postnatal life. Synaptic in vitro electrophysiology in male and female mice shows that postnatal Prox1 removal differentially affects the dynamics of excitatory inputs onto VIP bipolar and multipolar subtypes. RNA sequencing reveals that one of the downstream targets of Prox1 is the postsynaptic protein Elfn1, a constitutive regulator of presynaptic release probability. Further genetic, pharmacological, and electrophysiological experiments demonstrate that removing Prox1 reduces Elfn1 function in VIP multipolar but not in bipolar cells. Finally, overexpression experiments and analysis of native Elfn1 mRNA expression reveal that Elfn1 levels are differentially controlled at the post-transcriptional stage. Thus, in addition to activity-dependent processes that contribute to the developmental trajectory of VIP cells, genetic programs engaged by Prox1 control the final differentiation of multipolar and bipolar subtypes. SIGNIFICANCE STATEMENT The transcription factor Prox1 generates functional diversification of cortical VIP interneuron subtypes in early postnatal life, thus expanding the inhibitory repertoire of the cortex.