Interneurons of the cerebral cortex represent a heterogeneous population of cells with important roles in network function. At present, little is known about how these neurons are specified in the developing telencephalon. To explore whether this diversity is established in the early progenitor populations, we conducted in utero fate-mapping of the mouse medial and caudal ganglionic eminences (MGE and CGE, respectively), from which most cortical interneurons arise. Mature interneuron subtypes were assessed by electrophysiological and immunological analysis, as well as by morphological reconstruction. At E13.5, the MGE gives rise to fast-spiking (FS) interneurons, whereas the CGE generates predominantly regular-spiking interneurons (RSNP). Later at E15.5, the CGE produces RSNP classes distinct from those generated from the E13.5 CGE. Thus, we provide evidence that the spatial and temporal origin of interneuron precursors in the developing telencephalic eminences predicts the intrinsic physiological properties of mature interneurons.

In humans, neuroligin-3 mutations are associated with autism, whereas in mice, the corresponding mutations produce robust synaptic and behavioral changes. However, different neuroligin-3 mutations cause largely distinct phenotypes in mice, and no causal relationship links a specific synaptic dysfunction to a behavioral change. Using rotarod motor learning as a proxy for acquired repetitive behaviors in mice, we found that different neuroligin-3 mutations uniformly enhanced formation of repetitive motor routines. Surprisingly, neuroligin-3 mutations caused this phenotype not via changes in the cerebellum or dorsal striatum but via a selective synaptic impairment in the nucleus accumbens/ventral striatum. Here, neuroligin-3 mutations increased rotarod learning by specifically impeding synaptic inhibition onto D1-dopamine receptor-expressing but not D2-dopamine receptor-expressing medium spiny neurons. Our data thus suggest that different autism-associated neuroligin-3 mutations cause a common increase in acquired repetitive behaviors by impairing a specific striatal synapse and thereby provide a plausible circuit substrate for autism pathophysiology.PaperFlickeyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiJhOTE1YjNjNzVhNjg0NzI3NTY0MjQ3YjA5OTc1YWUzZCIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4ODkyOTc2fQ.fg1K6g7xRK8venZ6qUnYACbD6vJ_yhrx3jThaUzaCyYmCQ-zolMvcvKGjepU4ph2M3QzjY8AIjfut-r7x6oJQBvhQ-IaYJcRtcWnaIWTaOqI0gyiw5ff5XXpjNe3Kml5XHhwHrHH6JVGP8g1EsTrnqFi2XBEowdfafIfu9Xuaq2kVAObLdOm9TWTOrHWVHwhZYrkmIeldO4EtzZBQrlt5J77ojjq7lGYsQ9eNVrlq_j40CJ-qlKUmpXe05bnUQ0fGJSvmopaP8_mzKn557pebVpUWZ_WZ10-_8xECLxoQMAPnwwXNbvZ73Hd7Oh-_quDcj_MP8XL2F9Ggd7lxQS2wg(mp4, (13.14 MB) Download video

The striatum contributes to many cognitive processes and disorders, but its cell types are incompletely characterized. We show that microfluidic and FACS-based single-cell RNA sequencing of mouse striatum provides a well-resolved classification of striatal cell type diversity. Transcriptome analysis revealed ten differentiated, distinct cell types, including neurons, astrocytes, oligodendrocytes, ependymal, immune, and vascular cells, and enabled the discovery of numerous marker genes. Furthermore, we identified two discrete subtypes of medium spiny neurons (MSNs) that have specific markers and that overexpress genes linked to cognitive disorders and addiction. We also describe continuous cellular identities, which increase heterogeneity within discrete cell types. Finally, we identified cell type-specific transcription and splicing factors that shape cellular identities by regulating splicing and expression patterns. Our findings suggest that functional diversity within a complex tissue arises from a small number of discrete cell types, which can exist in a continuous spectrum of functional states.

Recently, leucine-rich repeat transmembrane proteins (LRRTMs) were found to be synaptic cell-adhesion molecules that, when expressed in nonneuronal cells, induce presynaptic differentiation in contacting axons. We now demonstrate that LRRTM2 induces only excitatory synapses, and that it also acts to induce synapses in transfected neurons similarly to neuroligin-1. Using affinity chromatography, we identified α- and β-neurexins as LRRTM2 ligands, again rendering LRRTM2 similar to neuroligin-1. However, whereas neuroligins bind neurexins containing or lacking an insert in splice site #4, LRRTM2 only binds neurexins lacking an insert in splice site #4. Binding of neurexins to LRRTM2 can produce cell-adhesion junctions, consistent with a trans-interaction regulated by neurexin alternative splicing, and recombinant neurexin-1β blocks LRRTM2’s ability to promote presynaptic differentiation. Thus, our data suggest that two unrelated postsynaptic cell-adhesion molecules, LRRTMs and neuroligins, unexpectedly bind to neurexins as the same presynaptic receptor, but that their binding is subject to distinct regulatory mechanisms.

Previous work has demonstrated that the character of mouse cortical interneuron subtypes can be directly related to their embryonic temporal and spatial origins. The relationship between embryonic origin and the character of mature interneurons is likely reflected by the developmental expression of genes that direct cell fate. However, a thorough understanding of the early genetic events that specify subtype identity has been hampered by the perinatal lethality resulting from the loss of genes implicated in the determination of cortical interneurons. Here, we employ a conditional loss-of-function approach to demonstrate that the transcription factor Nkx2-1 is required for the proper specification of specific interneuron subtypes. Removal of this gene at distinct neurogenic time points results in a switch in the subtypes of neurons observed at more mature ages. Our strategy reveals a causal link between the embryonic genetic specification by Nkx2-1 in progenitors and the functional attributes of their neuronal progeny in the mature nervous system.

ABSTRACT Fronto-striatal circuits have been extensively implicated in the cognitive control of behavioral output for both social and appetitive rewards. The functional diversity of prefrontal cortical populations is strongly dependent on their synaptic targets, with control of motor output strongly mediated by connectivity to the dorsal striatum. Despite evidence for functional diversity along the anterior-posterior axis of the dorsomedial striatum (DMS), it is unclear how distinct fronto- striatal sub-circuits support neural computations essential for action selection. Here we identify prefrontal populations targeting distinct DMS subregions and characterize their functional roles. We first performed neural circuit tracing to reveal segregated prefrontal populations defined by anterior/posterior dorsomedial striatal target. We then probed the functional relevance of these parallel circuits via in vivo calcium imaging and temporally precise causal manipulations during a feedback-based 2-alternative choice task. Single-photon imaging revealed circuit-specific representations of task-relevant information with prelimbic neurons targeting anterior DMS (PL::A- DMS) uniquely encoded choices and responses to negative outcomes, while prelimbic neurons targeting posterior DMS (PL::P-DMS) encoded internal representations of value and positive outcomes contingent on prior choice. Consistent with this distributed coding, optogenetic inhibition of PL::A-DMS circuits strongly impacted choice monitoring and behavioral control in response to negative outcomes while perturbation of PL::P-DMS signals impaired task engagement and strategies following positive outcomes. Di-synaptic retrograde tracing uncovered differences in afferent connectivity that may underlie these pathways functional divergence. Together our data uncover novel PL populations engaged in distributed processing for action control. SUMMARY Prelimbic cortex engages A- and P-DMS via distinct circuits PL::A-DMS and PL::P-DMS pathways encode divergent aspects of a simple goal-directed task PL::A-DMS pathways shape responding to negative outcomes via multiple mechanisms PL::P-DMS pathways guide engagement and choices in response to positive outcomes Afferent connectomes of PL neurons defined by A-P DMS target are distinct

Low-threshold spiking interneurons (LTSIs) in the dorsomedial striatum are potent modulators of goal-directed learning. Here, we uncover a novel function for LTSIs in locally and directly gating striatal dopamine, using in vitro fast scan cyclic voltammetry as well as in vivo GRAB-DA sensor imaging and pharmacology during operant learning. We demonstrate that LTSIs, acting via GABAB signaling, attenuate dopamine release, thereby serving as local coordinators of striatal plasticity.

Abstract The thalamus is the principal information hub of the vertebrate brain, with essential roles in sensory and motor information processing, attention, and memory. The molecular mechanisms regulating the formation of thalamic nuclei are unclear. We apply longitudinal single-cell RNA-sequencing, regional abrogation of Sonic-hedgehog (Shh), and spatial profiling of gene expression to map the developmental trajectories of thalamic progenitors, intermediate progenitors, and post-mitotic neurons as they coalesce into distinct thalamic nuclei. These data reveal that the complex architecture of the thalamus is established early during embryonic brain development through the coordinated action of four cell differentiation lineages derived from Shh-dependent and independent progenitors. We systematically characterize the gene expression programs that define these lineages across time and demonstrate how their disruption upon Shh depletion causes pronounced locomotor impairment resembling infantile Parkinson’s disease. These results reveal key principles of thalamic development and provide mechanistic insights into neurodevelopmental disorders resulting from thalamic dysfunction.

Glioblastoma (GBM), a universally fatal brain cancer, infiltrates the brain and can be synaptically innervated by neurons, which drives tumor progression 1-6 . Synaptic inputs onto GBM cells identified so far are largely short-range and glutamatergic 7-9 . The extent of integration of GBM cells into brain-wide neuronal circuitry is not well understood. Here we applied a rabies virus-mediated retrograde monosynaptic tracing approach 10-12 to systematically investigate circuit integration of human GBM organoids transplanted into adult mice. We found that GBM cells from multiple patients rapidly integrated into brain-wide neuronal circuits and exhibited diverse local and long-range connectivity. Beyond glutamatergic inputs, we identified a variety of neuromodulatory inputs across the brain, including cholinergic inputs from the basal forebrain. Acute acetylcholine stimulation induced sustained calcium oscillations and long-lasting transcriptional reprogramming of GBM cells into a more invasive state via the metabotropic CHRM3 receptor. CHRM3 downregulation suppressed GBM cell invasion, proliferation, and survival in vitro and in vivo. Together, these results reveal the capacity of human GBM cells to rapidly and robustly integrate into anatomically and molecularly diverse neuronal circuitry in the adult brain and support a model wherein rapid synapse formation onto GBM cells and transient activation of upstream neurons may lead to a long-lasting increase in fitness to promote tumor infiltration and progression.

Histone proteins affect gene expression through multiple mechanisms, including through exchange with histone variants. Recent findings link histone variants to neurological disorders, yet few are well studied in the brain. Most notably, widely expressed variants of H2B remain elusive. We applied recently developed antibodies, biochemical assays, and sequencing approaches to reveal broad expression of the H2B variant H2BE and defined its role in regulating chromatin structure, neuronal transcription, and mouse behavior. We find that H2BE is enriched at promoters, and a single unique amino acid allows it to dramatically enhance chromatin accessibility. Further, we show that H2BE is critical for synaptic gene expression and long-term memory. Together, these data reveal a mechanism linking histone variants to chromatin accessibility, transcriptional regulation, neuronal function, and memory. This work further identifies a widely expressed H2B variant and uncovers a single histone amino acid with profound effects on genomic structure.