Type I spiral ganglion neurons (SGNs) transmit sound information from cochlear hair cells to the CNS. Using transcriptome analysis of thousands of single neurons, we demonstrate that murine type I SGNs consist of subclasses that are defined by the expression of subsets of transcription factors, cell adhesion molecules, ion channels, and neurotransmitter receptors. Subtype specification is initiated prior to the onset of hearing during the time period when auditory circuits mature. Gene mutations linked to deafness that disrupt hair cell mechanotransduction or glutamatergic signaling perturb the firing behavior of SGNs prior to hearing onset and disrupt SGN subtype specification. We thus conclude that an intact hair cell mechanotransduction machinery is critical during the pre-hearing period to regulate the firing behavior of SGNs and their segregation into subtypes. Because deafness is frequently caused by defects in hair cells, our findings have significant ramifications for the etiology of hearing loss and its treatment.

Summary Neurons that process sensory information exhibit bursts of electrical activity during development, providing early training to circuits that will later encode similar features of the external world. In the mammalian auditory system, this intrinsically generated activity emerges from the cochlea prior to hearing onset, but its role in maturation of auditory circuitry remains poorly understood. We show that selective disruption of cochlear supporting cell spontaneous activity suppressed patterned burst firing of central auditory neurons without impacting cell survival or acoustic thresholds. However, neurons within the inferior colliculus of these mice exhibited enhanced acoustic sensitivity and broader frequency tuning, resulting in wider isofrequency lamina. Despite this enhanced neural responsiveness, total tone-responsive regions of the midbrain and cortex were substantially smaller. Thus, loss of pre-hearing cochlear activity causes profound changes in neural encoding of sound, with important implications for restoration of hearing in individuals that experience disrupted activity during this critical developmental period.

Abstract Precise and reliable cell-specific gene delivery remains technically challenging. Here we report a splicing-based approach for controlling gene expression whereby separate translational reading frames are coupled to the inclusion or exclusion of cell-specific alternative exons. Candidate exons are identified by analyzing thousands of publicly available RNA sequencing datasets and filtering by cell specificity, sequence conservation, and local intron length. This method, which we denote splicing-linked expression design (SLED), can be combined in a Boolean manner with existing techniques such as minipromoters and viral capsids. SLED vectors can leverage the strong expression of constitutive promoters, without sacrificing precision, by decoupling the tradeoff between promoter strength and selectivity. We generated SLED vectors to selectively target all neurons, photoreceptors, or excitatory neurons, and demonstrated that specificity was retained in vivo when delivered using AAVs. We further demonstrated the utility of SLED by creating what would otherwise be unobtainable research tools, specifically a GluA2 flip/flop reporter and a dual excitatory/inhibitory neuronal calcium indicator. Finally, we show the translational potential of SLED by rescuing photoreceptor degeneration in Prph2 rds/rds mice and by developing an oncolytic vector that can selectively induce apoptosis in SF3B1 mutant cancer cells. The flexibility of SLED technology enables new avenues for basic and translational research.

ABSTRACT Spontaneous bursts of electrical activity in the developing auditory system arise within the cochlea prior to hearing onset and propagate through future sound processing circuits of the brain to promote maturation of auditory neurons. Studies in isolated cochleae revealed that this intrinsically generated activity is initiated by ATP release from inner supporting cells (ISCs), resulting in activation of purinergic autoreceptors, K + efflux and subsequent depolarization of inner hair cells (IHCs). However, little is known about when this activity emerges or whether different mechanisms underlie distinct stages of development. Here we show that spontaneous electrical activity in mouse cochlea emerges within ISCs during the late embryonic period, preceding the onset of spontaneous correlated activity in IHCs and spiral ganglion neurons (SGNs), which begins at birth and follows a base to apex developmental gradient. At all developmental stages, pharmacological inhibition of P2Y1 metabotropic purinergic receptors dramatically reduced spontaneous activity in these three cell types. Moreover, in vivo imaging within the inferior colliculus of awake mice revealed that auditory neurons within future isofrequency zones exhibit coordinated neural activity at birth. The frequency of these discrete bursts increased progressively during the postnatal prehearing period, yet remained dependent on P2RY1. Analysis of mice with disrupted cholinergic signaling in the cochlea, indicate that this input modulates, rather than initiates, spontaneous activity before hearing onset. Thus, the auditory system uses a consistent mechanism involving ATP release from ISCs and activation of purinergic autoreceptors to elicit coordinated excitation of neurons that will process similar frequencies of sound. SIGNIFICANCE STATEMENT In developing sensory systems, groups of neurons that will process information from similar sensory space exhibit highly correlated electrical activity that is critical for proper maturation and circuit refinement. Defining the period when this activity is present, the mechanisms responsible and the features of this activity are crucial for understanding how spontaneous activity influences circuit development. We show that, from birth to hearing onset, the auditory system relies on a consistent mechanism to elicit correlate firing of neurons that will process similar frequencies of sound. Targeted disruption of this activity will increase our understanding of how these early circuits mature and may provide insight into processes responsible for developmental disorders of the auditory system.

Abstract Sensory information is represented by small neuronal ensembles in sensory cortices. Neuronal activity shows high trial-by-trial variability in that repeated presentation of the same stimulus, e. g., multiple presentations of the same sound activate differing ensembles in the auditory cortex (AC). How the differing ensembles interact to selectively activate to process incoming sound inputs with reduced energy is unknown. Efficient processing of complex acoustic signals requires that these sparsely distributed neuronal ensembles actively interact in order to provide a constant percept. Here, we probe interactions within and across ensembles by combining in vivo 2-photon Ca 2+ imaging and holographic optogenetic stimulation to study how increased activity of single cells level affects the cortical network. We stimulated a small number of neurons sharing the same frequency preference alongside the presentation of a target pure tone, further increasing their tone-evoked activity. We found that other non-stimulated co-tuned neurons decreased their tone-evoked activity while non co-tuned neurons were unaffected. This shows that co-tuned ensembles communicated and balanced their total activity across the network. The rebalanced activity due to external stimulation remained constant. These effects suggest that co-tuned ensembles in AC interact and rapidly rebalance their activity to maintain encoding homeostasis, and that the rebalanced network is persistent.

Neurons in developing sensory pathways exhibit spontaneous bursts of electrical activity that are critical for survival, maturation and circuit refinement. In the auditory system, intrinsically generated activity arises within the cochlea, but the molecular mechanisms responsible for initiating this activity remain poorly understood. Here, we show that burst firing of inner hair cells prior to hearing onset is dependent on P2RY1 autoreceptors expressed by inner supporting cells. P2RY1 activation triggers K+ efflux, depolarization of hair cells and osmotic shrinkage of supporting cells, dramatically increasing the extracellular space and the speed of K+ redistribution. Pharmacological or genetic disruption of P2RY1 suppressed neuronal burst firing by reducing K+ release, but unexpectedly enhanced their tonic firing, as water resorption by supporting cells reduced the extracellular space, slowing K+ clearance. Together, these studies indicate that purinergic signaling regulates spontaneous burst firing in the developing cochlea by regulating both the release and redistribution of K+.

ABSTRACT Intrinsically generated neural activity propagates through the developing auditory system to promote maturation and refinement of sound processing circuits prior to hearing onset. This early patterned activity is induced by non-sensory supporting cells in the organ of Corti, which are highly interconnected through gap junctions containing connexin 26 ( Gjb2 ). Although loss of function mutations in Gjb2 impair cochlear development and are the most common cause of congenital deafness, it is not known if these mutations disrupt spontaneous activity and the developmental trajectory of sound processing circuits in the brain. Here, we show in a new mouse model of Gjb2- mediated congenital deafness that cochlear supporting cells unexpectedly retained intercellular coupling and the capacity to generate spontaneous activity, exhibiting only modest deficits prior to hearing onset. This coordinated activation of IHCs led to coincident bursts of activity in central auditory neurons that will later process similar frequencies of sound. Despite alterations in the structure of the sensory epithelium, hair cells within the cochlea of Gjb2 deficient mice were intact and central auditory neurons could be activated within appropriate tonotopic domains by loud sounds at hearing onset, indicating that early maturation and refinement of auditory circuits was preserved. Only after cessation of spontaneous activity following hearing onset did progressive hair cell degeneration and enhanced auditory neuron excitability manifest. This preservation of cochlear spontaneous activity in the absence of connexin 26 may increase the effectiveness of early therapeutic interventions to restore hearing.