Functional and multi-modal characterization of cell types in selected circuits

点击翻译按钮获取中文摘要

Abstract  Recent advances in single‐cell transcriptomics in dissociated cells have permitted the unbiased classification  of unique, molecularly‐defined cell types in many brain regions. However, linking these molecularly‐defined  cell types to their corresponding morphological, physiological, and functional phenotypes remains a major chal‐ lenge in the field. We have assembled an interdisciplinary team capable of combining and further optimizing  cutting‐edge technologies including Patch‐seq (a method we developed that combines whole‐cell patch‐clamp  recordings and single‐cell RNA sequencing), multi‐photon calcium imaging, multiplexed fluorescent in situ hy‐ bridization (MERFISH), and state‐of‐art machine learning to address this gap in knowledge. In aim 1, during the  first two years, we will provide a comprehensive census of the cell types that comprise the mouse primary visual  cortex circuitry by linking single cell RNA‐seq, morphological, and in vitro electrophysiological data. During the  last  three  years,  we  will  define  the  cell  types  of  higher  order  visual  areas.  In  addition,  we  will  characterize  a  distributed network of five subcortical regions involved in the control of innate social behaviors, including the  ventromedial hypothalamic nucleus, medial preoptic nucleus, anterior hypothalamic nucleus, posterior bed nu‐ cleus  of  the  stria  terminalis,  and  posterior  medial  amygdala.    By  studying  both  cortical  and  subcortical  brain  regions, we will be able to compare similarities and differences across those regions, as well as compare princi‐ ples of cell type organization between evolutionarily ancient subcortical and more recently evolved cortical re‐ gions of the brain. In aim 2, we will study the functional properties of transcriptomically‐defined cell types in  the visual cortex of the mouse (areas V1, LM, PM and AM). We will perform multi‐photon calcium imaging in  behaving mice during the presentation of a variety of visual stimuli to characterize in detail the receptive field  properties of these neurons followed by MERFISH to identify the genetic profile of the recorded neurons. We  will employ this to both Cre lines that label known broad classes of neurons as well as dense imaging of cortical  populations to provide a complete, specific (i.e. in the same animal) characterization of both cell type function  and molecular profiling. The combined data from these two specific aims promise to provide the most complete  understanding of cell types to date, including expression profiles (e.g. ion channel and receptor levels) morphol‐ ogy, single‐cell electrophysiology, and in vivo functional properties. The methods and pipelines that will be op‐ timized in this section of the proposal will also lay the foundation to further apply these methods in different  parts of the brain as well as study animal models of diseases.