Highlights•PNN proteins gate classes of neurons to support experience-dependent plasticity•The PNN protein Brevican modulates cellular and synaptic plasticity in PV+ cells•Brevican levels are dynamically regulated by network activity•Brevican is required for normal cognitive functionSummaryActivity-dependent neuronal plasticity is a fundamental mechanism through which the nervous system adapts to sensory experience. Several lines of evidence suggest that parvalbumin (PV+) interneurons are essential in this process, but the molecular mechanisms underlying the influence of experience on interneuron plasticity remain poorly understood. Perineuronal nets (PNNs) enwrapping PV+ cells are long-standing candidates for playing such a role, yet their precise contribution has remained elusive. We show that the PNN protein Brevican is a critical regulator of interneuron plasticity. We find that Brevican simultaneously controls cellular and synaptic forms of plasticity in PV+ cells by regulating the localization of potassium channels and AMPA receptors, respectively. By modulating Brevican levels, experience introduces precise molecular and cellular modifications in PV+ cells that are required for learning and memory. These findings uncover a molecular program through which a PNN protein facilitates appropriate behavioral responses to experience by dynamically gating PV+ interneuron function.

How neuronal connections are established and organized into functional networks determines brain function. In the mammalian cerebral cortex, different classes of GABAergic interneurons exhibit specific connectivity patterns that underlie their ability to shape temporal dynamics and information processing. Much progress has been made toward parsing interneuron diversity, yet the molecular mechanisms by which interneuron-specific connectivity motifs emerge remain unclear. In this study, we investigated transcriptional dynamics in different classes of interneurons during the formation of cortical inhibitory circuits in mouse. We found that whether interneurons form synapses on the dendrites, soma, or axon initial segment of pyramidal cells is determined by synaptic molecules that are expressed in a subtype-specific manner. Thus, cell-specific molecular programs that unfold during early postnatal development underlie the connectivity patterns of cortical interneurons.

Microglia play a key role in shaping the formation and refinement of the excitatory network of the brain. However, less is known about whether and how they organize the development of distinct inhibitory networks. We find that microglia are essential for the proper development of somatostatin-positive (SST+) cell synapses during the second postnatal week. We further identify a pair of molecules that act antagonistically to one another in the organization of SST+ cell axonal elaboration. Whereas CX3CL1 acts to suppress axonal growth and complexity, CXCL12 promotes it. Assessing the functional importance of microglia in the development of cortical activity, we find that a whisker stimulation paradigm that drives SST+ cell activation leads to reduced cortical spiking in brains depleted of microglia. Collectively, our data demonstrate an important role of microglia in regulating the development of SST+ cell output early in life.

Recent success in identifying gene regulatory elements in the context of recombinant adeno-associated virus vectors have enabled cell type-restricted gene expression. However, within the cerebral cortex these tools are presently limited to broad classes of neurons. To overcome this limitation, we developed a strategy that led to the identification of multiple novel enhancers to target functionally distinct neuronal subtypes. By investigating the regulatory landscape of the disease gene Scn1a, we identified enhancers that target the breadth of its expression, including two that are selective for parvalbumin and vasoactive intestinal peptide cortical interneurons. Demonstrating the functional utility of these elements, we found that the PV-specific enhancer allowed for the selective targeting and manipulation of these neurons across species, from mice to humans. Finally, we demonstrate that our selection method is generalizable to other genes and characterize four additional PV-specific enhancers with exquisite specificity for distinct regions of the brain. Altogether, these viral tools can be used for cell-type specific circuit manipulation and hold considerable promise for use in therapeutic interventions.

Phagocytosis by glial cells is essential to regulate brain function during development and disease. Given recent interest in using amyloid β (Aβ)-targeted antibodies as a therapy for patients with Alzheimer's disease, removal of Aβ by phagocytosis is likely protective early in Alzheimer's disease, but remains poorly understood. Impaired phagocytic function of glial cells surrounding Aβ plaques during later stages in Alzheimer's disease likely contributes to worsened disease outcomes, but the underlying mechanisms of how this occurs remain unknown. We have developed a human Aβ1-42 analogue (AβpH) that exhibits green fluorescence upon internalization into the acidic phagosomes of cells but is non-fluorescent at physiological pH. This allowed us to image, for the first time, glial uptake of AβpH in real time in live animals. Microglia phagocytose more AβpH than astrocytes in culture, in brain slices and in vivo . AβpH can be used to investigate the phagocytic mechanisms removing Aβ from the extracellular space, and thus could become a useful tool to study Aβ clearance at different stages of Alzheimer's disease.

Somatostatin interneurons are the earliest born population of inhibitory cells. They are crucial to support normal brain development and function; however, the mechanisms underlying their integration into nascent cortical circuitry are not well understood. In this study, we begin by demonstrating that the maturation of somatostatin interneurons is activity dependent. We then investigated the relationship between activity, alternative splicing and synapse formation within this population. Specifically, we discovered that the Nova family of RNA-binding proteins are activity-dependent and are essential for the maturation of somatostatin interneurons, as well as their afferent and efferent connectivity. Moreover, in somatostatin interneurons, Nova2 preferentially mediates the alternative splicing of genes required for axonal formation and synaptic function. Hence, our work demonstrates that the Nova family of proteins are centrally involved in coupling developmental neuronal activity to cortical circuit formation.

Cortical interneurons display a remarkable diversity in their morphology, physiological properties and connectivity. Elucidating the molecular determinants underlying this heterogeneity is essential for understanding interneuron development and function. We discovered that alternative splicing differentially regulates the integration of somatostatin- and parvalbumin-expressing interneurons into nascent cortical circuits through the cell-type specific tailoring of mRNAs. Specifically, we identified a role for the activity-dependent splicing regulator Rbfox1 in the development of cortical interneuron subtype specific efferent connectivity. Our work demonstrates that Rbfox1 mediates largely non-overlapping alternative splicing programs within two distinct but related classes of interneurons.