The ability to target and manipulate specific neuronal populations is crucial for understanding brain function. In this report, the authors describe a novel virus that restricts gene expression to telencephalic GABAergic interneurons, allowing for morphological visualization, activity monitoring and functional manipulation of interneurons in mice and in non-genetically tractable species. A fundamental impediment to understanding the brain is the availability of inexpensive and robust methods for targeting and manipulating specific neuronal populations. The need to overcome this barrier is pressing because there are considerable anatomical, physiological, cognitive and behavioral differences between mice and higher mammalian species in which it is difficult to specifically target and manipulate genetically defined functional cell types. In particular, it is unclear the degree to which insights from mouse models can shed light on the neural mechanisms that mediate cognitive functions in higher species, including humans. Here we describe a novel recombinant adeno-associated virus that restricts gene expression to GABAergic interneurons within the telencephalon. We demonstrate that the viral expression is specific and robust, allowing for morphological visualization, activity monitoring and functional manipulation of interneurons in both mice and non-genetically tractable species, thus opening the possibility to study GABAergic function in virtually any vertebrate species.

Abstract Even transient periods of developmental hearing loss during the developmental critical period have been linked to long-lasting deficits in auditory perception, including temporal and spectral processing, which correlate with speech perception and educational attainment. In gerbils, hearing loss-induced perceptual deficits are correlated with a reduction of both ionotropic GABA A and metabotropic GABA B receptor-mediated synaptic inhibition in auditory cortex, but most research on critical period plasticity has focused on GABA A receptors. We developed viral vectors to express both endogenous GABA A or GABA B receptor subunits in auditory cortex and tested their capacity to restore perception of temporal and spectral auditory cues following critical period hearing loss in the Mongolian gerbil. HL significantly impaired perception of both temporal and spectral auditory cues. While both vectors similarly increased IPSCs in auditory cortex, only overexpression of GABA B receptors improved perceptual thresholds after HL to be similar to those of animals without developmental hearing loss. These findings identify the GABA B receptor as an important regulator of sensory perception in cortex and point to potential therapeutic targets for developmental sensory disorders. Significance Statement Hearing loss in children can induce deficits in aural communication that persevere even after audibility has returned to normal, suggesting permanent changes to the auditory central nervous system. In fact, a reduction in cortical synaptic inhibition has been implicated in a broad range of developmental disorders, including hearing loss. Here, we tested the hypothesis that developmental hearing loss-induced perceptual impairments in gerbils are caused by a permanent reduction of auditory cortical inhibitory synapse strength. We found that virally-mediated expression of a GABA B receptor subunit in gerbil auditory cortex was able to restore two auditory perceptual skills in juvenile animals reared with hearing loss, suggesting that cortical synaptic inhibition is a plausible therapeutic target for sensory processing disorders.

Even a transient period of hearing loss during the developmental critical period can induce long-lasting deficits in temporal and spectral perception. These perceptual deficits correlate with speech perception in humans. In gerbils, these hearing loss–induced perceptual deficits are correlated with a reduction of both ionotropic GABA A and metabotropic GABA B receptor–mediated synaptic inhibition in auditory cortex, but most research on critical period plasticity has focused on GABA A receptors. Therefore, we developed viral vectors to express proteins that would upregulate gerbil postsynaptic inhibitory receptor subunits (GABA A , Gabra1 ; GABA B , Gabbr1b ) in pyramidal neurons, and an enzyme that mediates GABA synthesis ( GAD65 ) presynaptically in parvalbumin-expressing interneurons. A transient period of developmental hearing loss during the auditory critical period significantly impaired perceptual performance on two auditory tasks: amplitude modulation depth detection and spectral modulation depth detection. We then tested the capacity of each vector to restore perceptual performance on these auditory tasks. While both GABA receptor vectors increased the amplitude of cortical inhibitory postsynaptic potentials, only viral expression of postsynaptic GABA B receptors improved perceptual thresholds to control levels. Similarly, presynaptic GAD65 expression improved perceptual performance on spectral modulation detection. These findings suggest that recovering performance on auditory perceptual tasks depends on GABA B receptor-dependent transmission at the auditory cortex parvalbumin to pyramidal synapse and point to potential therapeutic targets for developmental sensory disorders.

We often exert greater cognitive resources (i.e., listening effort) to understand speech under challenging acoustic conditions. This mechanism can be overwhelmed in those with hearing loss, resulting in cognitive fatigue in adults, and potentially impeding language acquisition in children. However, the neural mechanisms that support listening effort are uncertain. Evidence from human studies suggest that the cingulate cortex is engaged under difficult listening conditions, and may exert top-down modulation of the auditory cortex (AC). Here, we asked whether the gerbil cingulate cortex (Cg) sends anatomical projections to the AC that facilitate perceptual performance. To model challenging listening conditions, we used a sound discrimination task in which stimulus parameters were presented in either 'Easy' or 'Hard' blocks (i.e., long or short stimulus duration, respectively). Gerbils achieved statistically identical psychometric performance in Easy and Hard blocks. Anatomical tracing experiments revealed a strong, descending projection from layer 2/3 of the Cg1 subregion of the cingulate cortex to superficial and deep layers of primary and dorsal AC. To determine whether Cg improves task performance under challenging conditions, we bilaterally infused muscimol to inactivate Cg1, and found that psychometric thresholds were degraded for only Hard blocks. To test whether the Cg-to-AC projection facilitates task performance, we chemogenetically inactivated these inputs and found that performance was only degraded during Hard blocks. Taken together, the results reveal a descending cortical pathway that facilitates perceptual performance during challenging listening conditions.Sensory perception often occurs under challenging conditions, such a noisy background or dim environment, yet stimulus sensitivity can remain unaffected. One hypothesis is that cognitive resources are recruited to the task, thereby facilitating perceptual performance. Here, we identify a top-down cortical circuit, from cingulate to auditory cortex in the gerbils, that supports auditory perceptual performance under challenging listening conditions. This pathway is a plausible circuit that supports effortful listening, and may be degraded by hearing loss.

ABSTRACT Behavioral interactions within the nuclear family may play a pivotal role in the emergence of autonomy and agency in mammals. While the emergence of a behavior may arise over weeks in line with nervous system maturation, individual events occur on sub-second time scales. This makes it uniquely challenging to track development in the lab where observations are made over minutes to hours or in ecological studies which lack individual specificity and sub-second precision. Here we study families of gerbils, a highly social rodent, raised in enlarged home-cage environments over weeks of development, using continuous video recordings to capture tens of millions of time points per family. Focusing on postnatal day 15 (when pups leave the nest) to day 30 (around the time when pups would disperse) we identify distinct developmental trajectories for both autonomous behaviors (exploration, food and water foraging), and social behaviors (huddling, approach, time spent together). Most of these behaviors emerge in concert with clear diurnal and crepuscular patterns and we find sex differences in both autonomous and social behaviors. Our work supports the emergence of distinct autonomous and social behavior phenotypes as the behavioral correlates of critical developmental periods of maturation of the rodent brain and can form the basis of future research on development from both neuroscience and behavioral biology perspectives.

Abstract Explicit rewards are commonly used to reinforce a behavior, a form of learning that engages the dopaminergic neuromodulatory system. In contrast, skill acquisition can display dramatic improvements from a social learning experience, even though the observer receives no explicit reward. Here, we test whether a dopaminergic signal contributes to social learning in naïve gerbils that are exposed to, and learn from, a skilled demonstrator performing an auditory discrimination task. Following five exposure sessions, naïve observer gerbils were allowed to practice the auditory task, and their performance was assessed across days. We first tested the effect of an explicit food reward in the observer’s compartment that was yoked to the demonstrator’s performance during exposure sessions. Naïve observer gerbils with the yoked reward learned the discrimination task significantly faster, as compared to unrewarded observers. The effect of this explicit reward was abolished by administration of a D1/D5 dopamine receptor antagonist during the exposure sessions. Similarly, the D1/D5 antagonist reduced the rate of learning in unrewarded observers. To test whether a dopaminergic signal was sufficient to enhance social learning, we administered a D1/D5 receptor agonist during the exposure sessions in which no reward was present, and found that the rate of learning occurred significantly faster. Finally, a quantitative analysis of observer vocalizations and movements during the exposure sessions suggest behavioral strategies that contribute to social learning. Together, these results are consistent with a dopamine-dependent reward signal during social learning.

Abstract Development is a time of great opportunity. A heightened period of neural plasticity contributes to dramatic improvements in perceptual, motor, and cognitive skills. However, developmental plasticity poses a risk: greater malleability of neural circuits exposes them to environmental factors that may impede behavioral maturation. While these risks are well-established prior to sexual maturity (i.e., critical periods), the degree of neural vulnerability during adolescence remains uncertain. To address this question, we induced a transient period of hearing loss (HL) spanning adolescence in the gerbil, confirmed by assessment of circulating sex hormones, and asked whether behavioral and neural deficits are diminished. Wireless recordings were obtained from auditory cortex neurons during perceptual task performance, and within-session behavioral and neural sensitivity were compared. We found that a transient period of adolescent HL caused a significant perceptual deficit (i.e., amplitude modulation detection thresholds) that could be attributed to degraded auditory cortex processing, as confirmed with both single neuron and population-level analyses. In contrast, perceptual deficits did not occur when HL of the same duration was induced in adulthood. To determine whether degraded auditory cortex encoding was attributable to an intrinsic change, we obtained auditory cortex brain slices from adolescent HL animals, and recorded synaptic and discharge properties from auditory cortex pyramidal neurons. There was a clear and novel phenotype, distinct from critical period HL: excitatory postsynaptic potential amplitudes were elevated in adolescent HL animals, whereas inhibitory postsynaptic potentials were unchanged. This is in contrast to critical period deprivation, where there are large changes to synaptic inhibition. Taken together, these results show that diminished adolescent sensory experience can cause long-lasting behavioral deficits that originate, in part, from a dysfunctional cortical circuit. Abstract Figure Summary of experimental design and main findings.

In nature, animal vocalizations can provide crucial information about identity, including kinship and hierarchy. However, lab-based vocal behavior is typically studied during brief interactions between animals with no prior social relationship, and under environmental conditions with limited ethological relevance. Here, we address this gap by establishing long-term acoustic recordings from Mongolian gerbil families, a core social group that uses an array of sonic and ultrasonic vocalizations. Three separate gerbil families were transferred to an enlarged environment and continuous 20-day audio recordings were obtained. Using a variational autoencoder (VAE) to quantify 583,237 vocalizations, we show that gerbils exhibit a more elaborate vocal repertoire than has been previously reported and that vocal repertoire usage differs significantly by family. By performing gaussian mixture model clustering on the VAE latent space, we show that families preferentially use characteristic sets of vocal clusters and that these usage preferences remain stable over weeks. Furthermore, gerbils displayed family-specific transitions between vocal clusters. Since gerbils live naturally as extended families in complex underground burrows that are adjacent to other families, these results suggest the presence of a vocal dialect which could be exploited by animals to represent kinship. These findings position the Mongolian gerbil as a compelling animal model to study the neural basis of vocal communication and demonstrates the potential for using unsupervised machine learning with uninterrupted acoustic recordings to gain insights into naturalistic animal behavior.

Abstract The process by which sensory evidence contributes to perceptual choices requires an understanding of its transformation into decision variables. Here, we address this issue by evaluating the neural representation of acoustic information in auditory cortex-recipient parietal cortex while gerbils either performed an auditory discrimination task or while they passively listened to identical acoustic stimuli. During task performance, decoding performance of simultaneously recorded parietal neurons reflected psychometric sensitivity. In contrast, decoding performance during passive listening was significantly reduced. Principal component and geometric analyses each revealed the emergence of decision-relevant, linearly separable manifolds, but only during task engagement. Finally, using a clustering analysis, we found subpopulations of neurons that may reflect the encoding of separate segments during task performance: stimulus integration and motor preparation or execution. Taken together, our findings demonstrate how parietal cortex neurons integrate and transform encoded auditory information to guide sound-driven perceptual decisions.