Efficient retrograde access to projection neurons for the delivery of sensors and effectors constitutes an important and enabling capability for neural circuit dissection. Such an approach would also be useful for gene therapy, including the treatment of neurodegenerative disorders characterized by pathological spread through functionally connected and highly distributed networks. Viral vectors, in particular, are powerful gene delivery vehicles for the nervous system, but all available tools suffer from inefficient retrograde transport or limited clinical potential. To address this need, we applied in vivo directed evolution to engineer potent retrograde functionality into the capsid of adeno-associated virus (AAV), a vector that has shown promise in neuroscience research and the clinic. A newly evolved variant, rAAV2-retro, permits robust retrograde access to projection neurons with efficiency comparable to classical synthetic retrograde tracers and enables sufficient sensor/effector expression for functional circuit interrogation and in vivo genome editing in targeted neuronal populations.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiI4YzNlNWNlMWIwMjEwNTMwMmU0NzU5Zjg1OGZhN2VjNSIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4OTIwNjUyfQ.PIawDOHpxANfHC02wRHgNR9xW5IWD2usKnoU6sy5jofdhbn59c1Wt7D4f3-Dl7r4FffS7kG5CmD0MAA4xhiDH4k_fpPFeDtnWqoPTdrhD2bVpfi4wTBnyie7NKaNMMjL-SOaDobd6kCRE9cYrdRXyy_uof_jf4gGsRH8RnPKrs1nbeaek5sg0XWmK1oC7db8iMRvW0ALbwNBLLAWZfnXfZsMX4AMI-aUIH1p7wjiFPGzO7nw_H7qJk6h1L6FJzADy3tveAdJWwrXNx7iceEi_V7JOsl98UpSp2H-4Z_-4Tw8PmXRAyPLcaDltdpiLVSvuFc_csSEUX62WnL3cf9iEA(mp4, (84.44 MB) Download video

Neural circuits for essential natural behaviors are shaped by selective pressure to coordinate reliable execution of flexible goal-directed actions. However, the structural and functional organization of survival-oriented circuits is poorly understood due to exceptionally complex neuroanatomy. This is exemplified by AGRP neurons, which are a molecularly defined population that is sufficient to rapidly coordinate voracious food seeking and consumption behaviors. Here, we use cell-type-specific techniques for neural circuit manipulation and projection-specific anatomical analysis to examine the organization of this critical homeostatic circuit that regulates feeding. We show that AGRP neuronal circuits use a segregated, parallel, and redundant output configuration. AGRP neuron axon projections that target different brain regions originate from distinct subpopulations, several of which are sufficient to independently evoke feeding. The concerted anatomical and functional analysis of AGRP neuron projection populations reveals a constellation of core forebrain nodes, which are part of an extended circuit that mediates feeding behavior.

Abstract Projection neurons (PNs) in the mammalian olfactory bulb (OB) receive direct input from the nose and project to diverse cortical and subcortical areas. Morphological and physiological studies have highlighted functional heterogeneity, yet no molecular markers have been described that delineate PN subtypes. Here, we used viral injections into olfactory cortex and fluorescent nucleus sorting to enrich PNs for high-throughput single nucleus and bulk RNA deep sequencing. Transcriptome analysis and RNA in situ hybridization identified three mitral and five tufted cell populations with characteristic transcription factor network topology and cell adhesion and excitability-related gene expression. Finally, by integrating bulk and snRNA-seq data we propose that different mitral cell populations selectively project to different regions of olfactory cortex. Together, we have identified potential molecular and gene regulatory mechanisms underlying PN diversity and provide new molecular entry points into studying the diverse functional roles of mitral and tufted cell subtypes.

Placebo effects are notable demonstrations of mind-body interactions

Sensory and cognitive functions are processed in discrete cortical areas and depend upon the integration of long range cortical and subcortical inputs. PV and SST inhibitory interneurons (cINs) gate these inputs and failure to do so properly is implicated in many neurodevelopmental disorders. The logic by which these interneuron populations are integrated into cortical circuits and how these vary across sensory versus associative cortical areas is unknown. To answer this question, we began by surveying the breadth of afferents impinging upon PV and SST cINs within distinct cortical areas. We found that presynaptic inputs to both cIN populations are similar and primarily dictated by their areal location. By contrast, the timing of when they receive these afferents is cell-type specific. In sensory regions, both SST and PV cINs initially receive thalamocortical first order inputs. While by adulthood PV cINs remain heavily skewed towards first order inputs, SST cINs receive an equal balance of first and higher order thalamic afferents. Remarkably, while perturbations to sensory experience affect PV cIN thalamocortical connectivity, SST cIN connectivity is disrupted in a model of fragile X syndrome (Fmr1 loss of function) but not a model of ASD (Shank3B loss of function). Altogether, these data provide a comprehensive map of cIN afferents within different functional cortical areas and reveal the region-specific logic by which PV and SST cIN circuits are established.

Abstract Pitt-Hopkins syndrome (PTHS) is a neurodevelopmental disorder caused by monoallelic mutation or deletion in the transcription factor 4 ( TCF4 ) gene. Individuals with PTHS typically present in the first year of life with developmental delay and exhibit intellectual disability, lack of speech, and motor incoordination. There are no effective treatments available for PTHS, but the root cause of the disorder, TCF4 haploinsufficiency, suggests that it could be treated by normalizing TCF4 gene expression. Here we performed proof-of-concept viral gene therapy experiments using a conditional Tcf4 mouse model of PTHS and found that postnatally reinstating Tcf4 expression in neurons improved anxiety-like behavior, activity levels, innate behaviors, and memory. Postnatal reinstatement also partially corrected EEG abnormalities, which we characterized here for the first time, and the expression of key TCF4-regulated genes. Our results support a genetic normalization approach as a treatment strategy for PTHS, and possibly other TCF4-linked disorders.

The Democratic Republic of the Congo (DRC) harbors 11% of global malaria cases, yet little is known about the spatial and genetic structure of the parasite population in that country. We sequenced 2537 Plasmodium falciparum infections, including a nationally representative population sample from DRC and samples from surrounding countries, using molecular inversion probes - a novel high-throughput genotyping tool. We identified an east-west divide in haplotypes known to confer resistance to chloroquine and sulfadoxine-pyrimethamine. Furthermore, we identified highly related parasites over large geographic distances, indicative of gene flow and migration. Our results were consistent with a background of isolation by distance combined with the effects of selection for antimalarial drug resistance. This study provides a high-resolution view of parasite genetic structure across a large country in Africa and provides a baseline to study how implementation programs may impact parasite populations.