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 loss-of-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.

Interneurons migrate long distances before settling into a specific microcircuit. Because these cells are known to participate in correlated network activity, it is possible that electrical inputs may influence migration and integration. By manipulating neuronal activity in subsets of developing interneurons, Fishell and colleagues find that proper migration does indeed depend on this activity, involving a transcription-factor signalling pathway specific to those interneuron cell types. Electrical activity has been shown to regulate development in a variety of species and in various structures1, including the retina2,3,4, spinal cord5,6 and cortex5. Within the mammalian cortex specifically, the development of dendrites and commissural axons in pyramidal cells is activity-dependent7,8. However, little is known about the developmental role of activity in the other major cortical population of neurons, the GABA-producing interneurons. These neurons are morphologically and functionally heterogeneous and efforts over the past decade have focused on determining the mechanisms that contribute to this diversity9,10,11. It was recently discovered that 30% of all cortical interneurons arise from a relatively novel source within the ventral telencephalon, the caudal ganglionic eminence (CGE)11,12. Owing to their late birth date, these interneurons populate the cortex only after the majority of other interneurons and pyramidal cells are already in place and have started to functionally integrate. Here we demonstrate in mice that for CGE-derived reelin (Re)-positive and calretinin (Cr)-positive (but not vasoactive intestinal peptide (VIP)-positive) interneurons12,13, activity is essential before postnatal day 3 for correct migration, and that after postnatal day 3, glutamate-mediated activity controls the development of their axons and dendrites. Furthermore, we show that the engulfment and cell motility 1 gene (Elmo1)14, a target of the transcription factor distal-less homeobox 1 (Dlx1)15, is selectively expressed in Re+ and Cr+ interneurons and is both necessary and sufficient for activity-dependent interneuron migration. Our findings reveal a selective requirement for activity in shaping the cortical integration of specific neuronal subtypes.

Light-sheet microscopy is an ideal technique for imaging large cleared samples; however, the community is still lacking instruments capable of producing volumetric images of centimeter-sized cleared samples with near-isotropic resolution within minutes. Here, we introduce the mesoscale selective plane-illumination microscopy initiative, an open-hardware project for building and operating a light-sheet microscope that addresses these challenges and is compatible with any type of cleared or expanded sample ( www.mesospim.org ).

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

Human cellular models of neurodegeneration require reproducibility and longevity, which is necessary for simulating age-dependent diseases. Such systems are particularly needed for TDP-43 proteinopathies1, which involve human-specific mechanisms2-5 that cannot be directly studied in animal models. Here, to explore the emergence and consequences of TDP-43 pathologies, we generated induced pluripotent stem cell-derived, colony morphology neural stem cells (iCoMoNSCs) via manual selection of neural precursors6. Single-cell transcriptomics and comparison to independent neural stem cells7 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 (which we designate iNets). Neuronal and glial maturation in iNets was similar to that of cortical organoids8. Overexpression of wild-type TDP-43 in a minority of neurons within iNets led to progressive fragmentation and aggregation of the protein, resulting in a partial loss of function and neurotoxicity. Single-cell transcriptomics revealed a novel set of misregulated RNA targets in TDP-43-overexpressing neurons and in patients with TDP-43 proteinopathies exhibiting a loss of nuclear TDP-43. The strongest misregulated target encoded the synaptic protein NPTX2, the levels of which are controlled by TDP-43 binding on its 3' untranslated region. When NPTX2 was overexpressed in iNets, it exhibited neurotoxicity, whereas correcting NPTX2 misregulation partially rescued neurons from TDP-43-induced neurodegeneration. Notably, NPTX2 was consistently misaccumulated in neurons from patients with amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal lobar degeneration with TDP-43 pathology. Our work directly links TDP-43 misregulation and NPTX2 accumulation, thereby revealing a TDP-43-dependent pathway of neurotoxicity.

Abstract The whiskers of rodents are a key sensory organ that provides critical tactile information for animal navigation and object exploration throughout life. Previous work has explored the developmental sensory-driven activation of the primary sensory cortex processing whisker information (wS1), also called barrel cortex. This body of work has shown that the barrel cortex is already activated by sensory stimuli during the first post-natal week. However, it is currently unknown when over the course of development these stimuli begin being processed by higher order cortical areas, such as secondary whisker somatosensory area (wS2). Here we investigate for the first time the developmental engagement of wS2 by sensory stimuli and the emergence of cortico-cortical communication from wS1 to wS2. Using in vivo wide-field imaging and electrophysiological recordings in control and conditional knock-out mice we find that wS1 and wS2 are able to process bottom-up information coming from the thalamus already right after birth. We identify that it is only at the end of the first post-natal week that wS1 begins to provide excitation into wS2, a connection which begins to acquire feed-forward inhibition characteristics after the second post-natal week. Therefore, we have uncovered a developmental window during which excitatory versus inhibitory functional connectivity between wS1 and wS2 takes place.

Abstract Two inhibitory cell types involved in modulating barrel cortex activity and perception during active whisking in adult mice, are the VIP + and SST + interneurons. Here we identify a developmental transition point of structural and functional rearrangements onto these interneuron types 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. 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 + at both time points. In addition, we also uncover that 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.

Appropriate risk evaluation is essential for survival in complex, uncertain environments. Confronted with choosing between certain (safe) and uncertain (risky) options, animals show strong preference for either option consistently across extended time periods. How such risk preference is encoded in the brain remains elusive. A candidate region is the lateral habenula (LHb), which is prominently involved in value-guided behavior. Here, using a balanced two-alternative choice task and longitudinal two-photon calcium imaging, we identify LHb neurons with risk-preference-selective activity reflecting individual risk preference prior to action selection. By employing whole-brain anatomical tracing, multi-fiber photometry, and projection- and cell-type-specific optogenetics, we find that glutamatergic LHb projections from the medial (MH) but not lateral (LH) hypothalamus provide behavior-relevant synaptic input before action selection. Optogenetic stimulation of MH→LHb axons evoked excitatory and inhibitory postsynaptic responses, whereas LH→LHb projections were excitatory. We thus reveal functionally distinct hypothalamus-habenula circuits for risk preference in habitual economic decision-making.