Using a combination of optogenetics, single-cell molecular profiling and paired electrophysiological recordings in the mouse visual cortex, Pfeffer and colleagues derived the connectivity matrix of three major classes of interneurons with their post-synaptic GABAergic targets. This study provides a comprehensive overview of the wiring rules of the inhibition of inhibition in the cortex. Cortical inhibitory neurons contact each other to form a network of inhibitory synaptic connections. Our knowledge of the connectivity pattern underlying this inhibitory network is, however, still incomplete. Here we describe a simple and complementary interaction scheme between three large, molecularly distinct interneuron populations in mouse visual cortex: parvalbumin-expressing interneurons strongly inhibit one another but provide little inhibition to other populations. In contrast, somatostatin-expressing interneurons avoid inhibiting one another yet strongly inhibit all other populations. Finally, vasoactive intestinal peptide–expressing interneurons preferentially inhibit somatostatin-expressing interneurons. This scheme occurs in supragranular and infragranular layers, suggesting that inhibitory networks operate similarly at the input and output of the visual cortex. Thus, as the specificity of connections between excitatory neurons forms the basis for the cortical canonical circuit, the scheme described here outlines a standard connectivity pattern among cortical inhibitory neurons.

Mutations in the X-linked MECP2 gene, which encodes the transcriptional regulator methyl-CpG-binding protein 2 (MeCP2), cause Rett syndrome and several neurodevelopmental disorders including cognitive disorders, autism, juvenile-onset schizophrenia and encephalopathy with early lethality. Rett syndrome is characterized by apparently normal early development followed by regression, motor abnormalities, seizures and features of autism, especially stereotyped behaviours. The mechanisms mediating these features are poorly understood. Here we show that mice lacking Mecp2 from GABA (γ-aminobutyric acid)-releasing neurons recapitulate numerous Rett syndrome and autistic features, including repetitive behaviours. Loss of MeCP2 from a subset of forebrain GABAergic neurons also recapitulates many features of Rett syndrome. MeCP2-deficient GABAergic neurons show reduced inhibitory quantal size, consistent with a presynaptic reduction in glutamic acid decarboxylase 1 (Gad1) and glutamic acid decarboxylase 2 (Gad2) levels, and GABA immunoreactivity. These data demonstrate that MeCP2 is critical for normal function of GABA-releasing neurons and that subtle dysfunction of GABAergic neurons contributes to numerous neuropsychiatric phenotypes. Rett syndrome, a neurodevelopmental disorder with autistic features, is caused by mutations in the methyl-CpG-binding protein 2 gene (MECP2). A number of mouse models with full and cell-type specific deletions of Mecp2 have been generated, but show only a subset of the signs of Rett syndrome. Now Huda Zoghbi and colleagues report that mice with selective deletion of MeCP2 in GABAergic neurons show not only impaired GABAergic function, but capitulate many of the key features of Rett syndrome. The finding that disturbance of inhibitory neurons causes a variety of neuropsychiatric phenotypes suggests that the GABAergic system may be a promising target for therapeutic intervention. Mutations in the methyl-CpG-binding protein 2 (MeCP2) gene cause Rett syndrome, a neurodevelopmental disorder with features of autism. Multiple mouse models of MeCP2 have been generated, but show only a subset of the symptoms of Rett syndrome. These authors find that mice with selective deletion of MeCP2 in GABA-mediated neurons show not only impaired GABA-mediated function, but capitulate multiple key features of Rett, further suggesting a role of inhibitory function in neuropsychiatric disease.

Different amounts of excitation received by different pyramidal cells of primary visual cortex are matched by proportional amounts of inhibition. The balance between synaptic excitation and inhibition in the mammalian sensory cortex — known as the E/I ratio — is an important influence on both sensory processing and cognitive function. The mechanisms that establish and maintain the E/I ratio are still poorly understood. It is not clear whether each cortical neuron has the ability of individually regulating its own E/I ratio or if the E/I ratio is equalized across the pyramidal cell population. In a study of mouse primary visual cortex, Massimo Scanziani and colleagues show that E/I ratios are remarkably similar across different pyramidal cells despite large variations in the amplitudes of synaptic excitation and inhibition. This is achieved through matched inhibition mediated by parvalbumin-expressing but not by somatostatin-expressing interneurons. The relationship between synaptic excitation and inhibition (E/I ratio), two opposing forces in the mammalian cerebral cortex, affects many cortical functions such as feature selectivity and gain1,2. Individual pyramidal cells show stable E/I ratios in time despite fluctuating cortical activity levels. This is because when excitation increases, inhibition increases proportionally through the increased recruitment of inhibitory neurons, a phenomenon referred to as excitation–inhibition balance3,4,5,6,7,8,9. However, little is known about the distribution of E/I ratios across pyramidal cells. Through their highly divergent axons, inhibitory neurons indiscriminately contact most neighbouring pyramidal cells10,11. Is inhibition homogeneously distributed12 or is it individually matched to the different amounts of excitation received by distinct pyramidal cells? Here we discover that pyramidal cells in layer 2/3 of mouse primary visual cortex each receive inhibition in a similar proportion to their excitation. As a consequence, E/I ratios are equalized across pyramidal cells. This matched inhibition is mediated by parvalbumin-expressing but not somatostatin-expressing inhibitory cells and results from the independent adjustment of synapses originating from individual parvalbumin-expressing cells targeting different pyramidal cells. Furthermore, this match is activity-dependent as it is disrupted by perturbing pyramidal cell activity. Thus, the equalization of E/I ratios across pyramidal cells reveals an unexpected degree of order in the spatial distribution of synaptic strengths and indicates that the relationship between the cortex’s two opposing forces is stabilized not only in time but also in space.

Abstract We report a family of K + channels, kalium channelrhodopsins (KCRs) from a fungus-like protist. Previously known potassium channels, widespread and mainly ligand- or voltage-gated, share a conserved pore-forming domain and K + -selectivity filter. KCRs differ in that they are light-gated and they have independently evolved an alternative K + selectivity mechanism. The KCRs are potent, highly selective of K + over Na + , and open in less than 1 millisecond following photoactivation. Their permeability ratio P K /P Na of ∼ 20 make KCRs powerful hyperpolarizing tools that suppress excitable cell firing upon illumination, demonstrated here in mouse cortical neurons. KCRs enable specific optogenetic photocontrol of K + gradients promising for the study and potential treatment of potassium channelopathies such as epilepsy, Parkinson’s disease, and long-QT syndrome and other cardiac arrhythmias. One-Sentence Summary Potassium-selective channelrhodopsins long-sought for optogenetic research and therapy of neurological and cardiac diseases.

Abstract UBE3A encodes ubiquitin protein ligase E3A, and in neurons its expression from the paternal allele is repressed by the UBE3A antisense transcript ( UBE3A-ATS ). This leaves neurons susceptible to loss-of-function of maternal UBE3A . Indeed, Angelman syndrome, a severe neurodevelopmental disorder, is caused by maternal UBE3A deficiency. A promising therapeutic approach to treating Angelman syndrome is to reactivate the intact paternal UBE3A by suppressing UBE3A-ATS . Prior studies show that many neurological phenotypes of maternal Ube3a knockout mice can only be rescued by reinstating Ube3a expression in early development, indicating a restricted therapeutic window for Angelman syndrome. Here we report that reducing Ube3a-ATS by antisense oligonucleotides in juvenile or adult maternal Ube3a knockout mice rescues the abnormal electroencephalogram rhythms and sleep disturbance, two prominent clinical features of Angelman syndrome. Importantly, the degree of phenotypic improvement correlates with the increase of Ube3a protein levels. These results indicate that the therapeutic window of genetic therapies for Angelman syndrome is broader than previously thought, and electroencephalogram power spectrum and sleep architecture should be used to evaluate the clinical efficacy of therapies.

Abstract Synaptic excitation (E) and inhibition (I) stay relatively proportional to each other over different spatiotemporal scales, orchestrating neuronal activity in the brain. This proportionality, referred to as E-I balance, is thought to be critical for neuronal functions because its disruption was observed in many neurological disorders. However, the causal evidence demonstrating its significance is scarce. Here we show that deleting Neuroligin-2 (Nlgn2), a postsynaptic adhesion molecule at inhibitory synapses, from mouse glutamatergic or GABAergic neurons reduces inhibition cell-autonomously without affecting excitation, thereby disrupting E-I balance and causing lethality. In contrast, deleting Nlgn2 constitutively or simultaneously from both glutamatergic and GABAergic neurons results in viable mice. A neural network model shows that reducing inhibition in either neuronal type is detrimental to network activity, but in both types partially re-establishes E-I balance and activity. Together, our results provide evidence for an essential role of E-I balance in brain functions and organism survival.

Abstract The phospholipid and free fatty acid (FFA) composition of neuronal membranes plays a crucial role in learning and memory, but the mechanisms through which neuronal activity affects the brain’s lipid landscape remain largely unexplored. Saturated FFAs, particularly myristic acid (C14:0), strongly increase during neuronal stimulation and memory acquisition, suggesting the involvement of phospholipase A1 (PLA1) activity in synaptic plasticity. Here, we show that genetic ablation of the DDHD2 isoform of PLA1 in mice reduced memory performance in reward-based learning and spatial memory models prior to the development of neuromuscular deficits, and markedly reduced saturated FFAs across the brain. DDHD2 was shown to bind to the key synaptic protein STXBP1. Using STXBP1/2 knockout neurosecretory cells and a haploinsufficient STXBP1 +/- mouse model of STXBP1 encephalopathy that is also associated with intellectual disability and motor dysfunction, we show that STXBP1 controls the targeting of DDHD2 to the plasma membrane and the generation of saturated FFAs in the brain. Our findings suggest key roles for DDHD2 and STXBP1 in the lipid metabolism underlying synaptic plasticity, learning and memory.

ABSTRACT Neuronal ankyrins cluster and link membrane proteins to the actin and spectrin-based cytoskeleton. Among the three vertebrate ankyrins, little is known about neuronal Ankyrin-R (AnkR). We report AnkR is highly enriched in Pv + fast-spiking interneurons in mouse and human. We identify AnkR-associated protein complexes including cytoskeletal proteins, cell adhesion molecules (CAMs), and perineuronal nets (PNNs). We show that loss of AnkR from forebrain interneurons reduces and disrupts PNNs, decreases anxiety-like behaviors, and changes the intrinsic excitability and firing properties of Pv + fast-spiking interneurons. These changes are accompanied by a dramatic reduction in Kv3.1b K + channels. We identify a novel AnkR-binding motif in Kv3.1b, and show that AnkR is both necessary and sufficient for Kv3.1b membrane localization in interneurons and at nodes of Ranvier. Thus, AnkR regulates Pv + fast-spiking interneuron function by organizing ion channels, CAMs, and PNNs, and linking these to the underlying β 1 spectrin-based cytoskeleton.

Abstract Heterozygous pathogenic variants in syntaxin-binding protein 1 (STXBP1, also known as MUNC18-1) cause STXBP1 encephalopathy and are among the most frequent causes of developmental and epileptic encephalopathies and intellectual disabilities. STXBP1 is an essential protein for presynaptic neurotransmitter release, and its haploinsufficiency impairs glutamatergic and GABAergic neurotransmission. However, the mechanism underlying the broad spectrum of neurological phenotypes is poorly understood. Here we show that glutamatergic and GABAergic neurons mediate distinct disease features with few overlaps. Glutamatergic and GABAergic neurons-specific Stxbp1 haploinsufficient mice exhibit different subsets of the cognitive and seizure phenotypes observed in the constitutive Stxbp1 haploinsufficient mice. Developmental delay and most of the motor and psychiatric phenotypes are only recapitulated by GABAergic Stxbp1 haploinsufficiency. Thus, the contrasting roles of excitatory and inhibitory signaling in STXBP1 encephalopathy identify GABAergic dysfunction as a main disease mechanism and reveal the possibility to selectively modulate disease phenotypes by targeting specific neurotransmitter systems.

Mutations in genes encoding synaptic proteins cause many neurodevelopmental disorders, but the underlying pathogeneses are poorly understood. Syntaxin-binding protein 1 (STXBP1) is an essential component of the neurotransmitter release machinery. Its de novo heterozygous mutations are among the most frequent causes of neurodevelopmental disorders including intellectual disabilities and epilepsies. These disorders, collectively referred to as STXBP1 encephalopathy, affect a broad spectrum of neurological and neuropsychiatric features common among neurodevelopmental disorders. To gain insight into STXBP1 encephalopathy pathogenesis, we generated new Stxbp1 null alleles in mice and found that Stxbp1 haploinsufficiency impaired cognitive, psychiatric, and motor functions and caused cortical hyperexcitability and seizures. Surprisingly, Stxbp1 haploinsufficiency reduced neurotransmission from cortical parvalbumin- and somatostatin-expressing GABAergic interneurons by differentially decreasing the synaptic strength and connectivity, respectively. These results demonstrate that Stxbp1 haploinsufficient mice recapitulate key features of STXBP1 encephalopathy and indicate that inhibitory dysfunction is likely a key contributor to the disease pathogenesis.