Summary Many mammalian neurons release multiple neurotransmitters to activate diverse classes of ionotropic receptors on their postsynaptic targets. Entopeduncular nucleus somatostatin (EP Sst+ ) neurons that project to the lateral habenula (LHb) release both glutamate and GABA, but it is unclear if these are packaged into the same or segregated pools of synaptic vesicles. Here we describe a novel method combining electrophysiology, spatially-patterned optogenetics, and computational modeling designed to analyze the mechanism of glutamate/GABA corelease. We find that the properties of PSCs elicited in LHb neurons by optogenetic activation of EP Sst+ terminals are only consistent with co-packaging of glutamate and GABA into individual vesicles. Furthermore, serotonin, which acts presynaptically to weaken EP Sst+ to LHb synapses, does so by altering the release probability of vesicles containing both transmitters. Our approach is broadly applicable to the study of multi-transmitter neurons throughout the brain and our results constrain mechanisms of neuromodulation in LHb.

The modulation of cortex by acetylcholine (ACh) is typically thought to originate from long-range projections arising in the basal forebrain. However, a subset of VIP interneurons express ChAT, the synthetic enzyme for ACh, and are a potential local source of cortical ACh. Which neurotransmitters these VIP/ChAT interneurons (VCINs) release is unclear, and which post-synaptic cell types these transmitters target is not known. Using quantitative molecular analysis of VCIN pre-synaptic terminals, we show expression of the molecular machinery to release both ACh and GABA, with ACh release restricted to a subset of boutons. A systematic survey of potential post-synaptic cell types shows that VCINs release GABA primarily onto other inhibitory interneuron subtypes, while ACh neurotransmission is notably sparse, with most ACh release onto layer 1 interneurons and other VCINs. Therefore, VCINs are an alternative source of cortical ACh signaling that supplement GABA-mediated disinhibition with highly targeted excitation through ACh.

Abstract The cerebral cortex is vital for the perception and processing of sensory stimuli. In the somatosensory axis, information is received by two distinct regions, the primary (S1) and secondary (S2) somatosensory cortices. Top-down circuits stemming from S1 can modulate mechanical and cooling but not heat stimuli such that circuit inhibition causes blunted mechanical and cooling perception. Using optogenetics and chemogenetics, we find that in contrast to S1, an inhibition of S2 output increases mechanical and heat, but not cooling sensitivity. Combining 2-photon anatomical reconstruction with chemogenetic inhibition of specific S2 circuits, we discover that S2 projections to the secondary motor cortex (M2) govern mechanical and thermal sensitivity without affecting motor or cognitive function. This suggests that while S2, like S1, encodes specific sensory information, that S2 operates through quite distinct neural substrates to modulate responsiveness to particular somatosensory stimuli and that somatosensory cortical encoding occurs in a largely parallel fashion.

The cerebral cortex contains neurons that express choline acetyltransferase (ChAT) and are a potential local source of acetylcholine. However, the neurotransmitters released by cortical ChAT+ neurons and their synaptic connectivity are unknown. We show that the nearly all cortical ChAT+ neurons are specialized VIP+ interneurons that release GABA strongly onto other inhibitory interneurons and acetylcholine sparsely onto layer 1 interneurons and other VIP+/ChAT+ interneurons. This differential transmission of ACh and GABA based on the postsynaptic target neuron is reflected in VIP+/ChAT+ interneuron pre-synaptic terminals, as quantitative molecular analysis shows that only a subset of these are specialized to release acetylcholine. In addition, we identify a separate, sparse population of non-VIP ChAT+ neurons in the medial prefrontal cortex with a distinct developmental origin that robustly release acetylcholine in layer 1. These results demonstrate both cortex-region heterogeneity in cortical ChAT+ interneurons and target-specific co-release of acetylcholine and GABA.

GABAA receptors containing the δGABAA subunit (δGABAARs) are involved in many physiological and pathophysiological processes, such as sleep, pain, stress, anxiety-related behaviors, and postpartum depression. These extrasynaptically located, high affinity and slowly desensitizing receptors mediate tonic inhibition throughout the brain, including in granule cells (GCs) of the cerebellar input layer. However, the extent to which δGABAARs control the excitability of the cerebellar input layer and ultimately regulate behavior is unknown. We therefore deleted δGABAA subunits specifically from GCs and determined the behavioral consequences in mice. Deletion reduced tonic inhibition and increased input layer excitability, but remarkably, did not affect either locomotion or motor learning. Unexpectedly, δGABAA deletion heightened anxiety-like behaviors, and caused female-specific alterations in social and maternal behavior. Our findings establish that the cerebellar input layer is critical for regulating diverse behaviors that are relevant to psychiatric and neurodevelopmental disorders but were previously not associated with the cerebellum.