To better understand the relationship between input and output connectivity for neurons of interest in specific brain regions, a viral-genetic tracing approach is used to identify input based on a combination of neurons’ projection and cell type, as illustrated in a study of locus coeruleus noradrenaline neurons. New circuit tracing techniques have steadily increased our knowledge of the connectivity between brain regions and how such links may contribute to function and information processing. Here, Liqun Luo and colleagues expand this toolbox to include TRIO, a new strategy designed to characterize the input–output relationships between genetically specified populations of neurons. As a proof of concept, input–output tracing relationships and projection patterns were completed for the noradrenaline neurons of the locus coeruleus. Deciphering how neural circuits are anatomically organized with regard to input and output is instrumental in understanding how the brain processes information. For example, locus coeruleus noradrenaline (also known as norepinephrine) (LC-NE) neurons receive input from and send output to broad regions of the brain and spinal cord, and regulate diverse functions including arousal, attention, mood and sensory gating1,2,3,4,5,6,7,8. However, it is unclear how LC-NE neurons divide up their brain-wide projection patterns and whether different LC-NE neurons receive differential input. Here we developed a set of viral-genetic tools to quantitatively analyse the input–output relationship of neural circuits, and applied these tools to dissect the LC-NE circuit in mice. Rabies-virus-based input mapping indicated that LC-NE neurons receive convergent synaptic input from many regions previously identified as sending axons to the locus coeruleus, as well as from newly identified presynaptic partners, including cerebellar Purkinje cells. The ‘tracing the relationship between input and output’ method (or TRIO method) enables trans-synaptic input tracing from specific subsets of neurons based on their projection and cell type. We found that LC-NE neurons projecting to diverse output regions receive mostly similar input. Projection-based viral labelling revealed that LC-NE neurons projecting to one output region also project to all brain regions we examined. Thus, the LC-NE circuit overall integrates information from, and broadcasts to, many brain regions, consistent with its primary role in regulating brain states. At the same time, we uncovered several levels of specificity in certain LC-NE sub-circuits. These tools for mapping output architecture and input–output relationship are applicable to other neuronal circuits and organisms. More broadly, our viral-genetic approaches provide an efficient intersectional means to target neuronal populations based on cell type and projection pattern.

The precise annotation and accurate identification of neural structures are prerequisites for studying mammalian brain function. The orientation of neurons and neural circuits is usually determined by mapping brain images to coarse axial-sampling planar reference atlases. However, individual differences at the cellular level likely lead to position errors and an inability to orient neural projections at single-cell resolution. Here, we present a high-throughput precision imaging method that can acquire a co-localized brain-wide data set of both fluorescent-labelled neurons and counterstained cell bodies at a voxel size of 0.32 × 0.32 × 2.0 μm in 3 days for a single mouse brain. We acquire mouse whole-brain imaging data sets of multiple types of neurons and projections with anatomical annotation at single-neuron resolution. The results show that the simultaneous acquisition of labelled neural structures and cytoarchitecture reference in the same brain greatly facilitates precise tracing of long-range projections and accurate locating of nuclei.

The medial prefrontal cortex (mPFC) plays a key role in learning, mood and decision making, including in how individuals respond to threats 1-6 . mPFC undergoes a uniquely protracted development, with changes in synapse density, cortical thickness, long-range connectivity, and neuronal encoding properties continuing into early adulthood 7-21 . Models suggest that before adulthood, the slow-developing mPFC cannot adequately regulate activity in faster-developing subcortical centers 22,23 . They propose that during development, the enhanced influence of subcortical systems underlies distinctive behavioural strategies of juveniles and adolescents and that increasing mPFC control over subcortical structures eventually allows adult behaviours to emerge. Yet it has remained unclear how a progressive strengthening of top-down control can lead to nonlinear changes in behaviour as individuals mature 24,25 . To address this discrepancy, here we monitored and manipulated activity in the developing brain as animals responded to threats, establishing direct causal links between frontolimbic circuit activity and the behavioural strategies of juvenile, adolescent and adult mice. Rather than a linear strengthening of mPFC synaptic connectivity progressively regulating behaviour, we uncovered multiple developmental switches in the behavioural roles of mPFC circuits targeting the basolateral amygdala (BLA) and nucleus accumbens (NAc). We show these changes are accompanied by axonal pruning coinciding with functional strengthening of synaptic connectivity in the mPFC-BLA and mPFC-NAc pathways, which mature at different rates. Our results reveal how developing mPFC circuits pass through distinct architectures that may make them optimally adapted to the demands of age-specific challenges.

Abstract Breathing, and the motor circuits that control it, are essential for life. At the core of respiratory circuits are Dbx1-derived interneurons, which generate the rhythm and pattern of breathing, and phrenic motor neurons (MNs), which provide the final motor output that drives diaphragm muscle contractions during inspiration. Despite their critical function, the principles that dictate how respiratory circuits assemble are unknown. Here we show that coordinated activity of a type I cadherin (N-cadherin) and type II cadherins (Cadherin-6, −9, and −10) is required in both MNs and Dbx1-derived neurons to generate robust respiratory motor output. Both MN- and Dbx1-specific cadherin inactivation during a critical developmental window results in perinatal lethality due to respiratory failure and a striking reduction in phrenic MN bursting activity. This combinatorial cadherin code is required to establish phrenic MN cell body and dendritic topography; surprisingly, however, cell body position appears to be dispensable for the targeting of phrenic MNs by descending respiratory inputs. Our findings demonstrate that type I and type II cadherins function cooperatively throughout the respiratory circuit to generate a robust breathing output and reveal novel strategies that drive the assembly of motor circuits.

Abstract As the discovery of cellular diversity in the brain accelerates, so does the need for functional tools that target cells based on multiple features, such as gene expression and projection target. By selectively driving recombinase expression in a feature-specific manner, one can utilize intersectional strategies to conditionally promote payload expression only where multiple features overlap. We developed Conditional Viral Expression by Ribozyme Guided Degradation (ConVERGD), a single-construct intersectional targeting strategy that combines a self-cleaving ribozyme with traditional FLEx switches. ConVERGD offers benefits over existing platforms, such as expanded intersectionality, the ability to accommodate larger and more complex payloads, and a vector design that is easily modified to better facilitate rapid toolkit expansion. To demonstrate its utility for interrogating neural circuitry, we employed ConVERGD to target an unexplored subpopulation of norepinephrine (NE)-producing neurons within the rodent locus coeruleus (LC) identified via single-cell transcriptomic profiling to co-express the stress-related endogenous opioid gene prodynorphin ( Pdyn ). These studies showcase ConVERGD as a versatile tool for targeting diverse cell types and reveal Pdyn -expressing NE + LC neurons as a small neuronal subpopulation capable of driving anxiogenic behavioral responses in rodents.

Anxiety is an emotional state precipitated by the anticipation of real or potential threats. Anxiety disorders are the most prevalent psychiatric illnesses globally and increase the risk of developing comorbid conditions that negatively impact the brain and body. The etiology of anxiety disorders remains unresolved, limiting improvement of therapeutic strategies to alleviate anxiety-related symptoms with increased specificity and efficacy. Here, we applied novel intersectional tools to identify a discrete population of brainstem adrenergic neurons, named C1 cells, that promote aversion and anxiety-related behaviors via projections to the periaqueductal gray matter (PAG). While C1 cells have traditionally been implicated in modulation of autonomic processes, rabies tracing revealed that they receive input from brain areas with diverse functions. Calcium-based in vivo imaging showed that activation of C1 cells enhances excitatory responses in vlPAG, activity that is exacerbated in times of heightened stress. Furthermore, inhibition of C1 cells impedes the development of anxiety-like behaviors in response to stressful situations. Overall, these findings suggest that C1 neurons are positioned to integrate complex information from the brain and periphery for the promotion of anxiety-like behaviors.

SUMMARY Mosaic Analysis with Double Markers (MADM) offers a unique approach to visualize and concomitantly manipulate genetically-defined cells in mice with single-cell resolution. MADM applications include the analysis of lineage; single-cell morphology and physiology; genomic imprinting phenotypes; and dissection of cell-autonomous gene functions in vivo in health and disease. Yet, MADM could only be applied to <25% of all mouse genes on select chromosomes thus far. To overcome this limitation, we generated transgenic mice with knocked-in MADM cassettes near the centromeres of all 19 autosomes and validated their use across organs. With this resource, >96% of the entire mouse genome can now be subjected to single-cell genetic mosaic analysis. Beyond proof-of-principle, we applied our MADM library to systematically trace sister chromatid segregation in distinct mitotic cell lineages. We found striking chromosome-specific biases in segregation patterns, reflecting a putative mechanism for the asymmetric segregation of genetic determinants in somatic stem cell division.